Все материалы, применяемые при производстве радиоэлек-тронных средств, подразделяют на конструкционные и радиомате-риалы.
Конструкционные материалы – это материалы, применяемые для изготовления элементов несущих конструкций, деталей пере-дающих механизмов, корпусов.
Радиоматериалы – это материалы, применяемые для изготов-ления элементной базы радиоэлектронных средств (индуктивных элементов, конденсаторов, резистивных элементов, полупроводни-ковых приборов, электронных ламп, антенн, волноводов, устройств функциональной электроники и т. п.). Радиоматериалы характеризу-ются определенными свойствами по отношению к магнитным и электрическим полям и их применяют с учетом этих свойств. Радио-материалы определяют работу электрической схемы радиоэлек-тронного устройства.
В зависимости от электрических и магнитных свойств радио-материалы подразделяют на следующие классы: диэлектрические материалы, проводники, полупроводники и магнитные материалы.
В данном учебном пособии рассматриваются проводниковые и полупроводниковые материалы и магнитные материалы. Учебное пособие состоит из 3-х глав. В 1-й главе рассматриваются физиче-ские основы проводимости проводниковых материалов и влияние различных факторов на проводимость. Кроме того, изложены основ-ные свойства, параметры и область применения проводниковых ма-териалов с малым и большим удельным сопротивлением. Во 2-й главе рассматриваются полупроводниковые материалы: основные представления об электропроводности полупроводников и влияние различных внешних воздействий на их свойства; приводятся основ-ные свойства, параметры и применение полупроводниковых мате-риалов при изготовлении активных элементов различного назначе-ния. В 3-й главе даются основные представления о теории магнетиз-ма, классификация магнитных материалов, основные свойства, пара-метры и особенности применения магнитомягких низкочастотных, магнитомягких высокочастотных и магнитотвердых магнитных ма-териалов.
Изложение материала в учебном пособии базируется на зна-ниях, полученных студентами при изучении предшествующих дис-циплин: «Физика», «Физико-химические основы микроэлектрони-ки».








ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

e – заряд электрона
mo – масса электрона
n – концентрация электронов
ℓ - длина свободного пробега
с – удельное электрическое сопротивление, плотность
бс – температурный коэффициент удельного сопротив-ления
R□ – электрическое сопротивление тонких пленок (без индекса - сопротивление проводника)
г – удельная проводимость
J – эффективное значение тока
W – энергия
U – разность потенциалов, электрическое напряжение, скорость теплового движения
Е – напряженность электрического поля, модуль упруго-сти
I – сила тока
f – частота
щ – угловая частота
л – длина волны, коэффициент теплопроводности
с – скорость электромагнитной волны
m – масса
F – сила
h - постоянная Планка, толщина
k – постоянная Больцмана
S – площадь
V – скорость дрейфа, объем
Т – температура
t – время
бl – коэффициент термического линейного расширения
∆Э – ширина запрещенной зоны
мn - подвижность электронов
мd – подвижность дырок
ув – предел прочности на растяжение (без индекса - на-пряжение)
д – пластичность (относительное удлинение при разры-ве) материала
G – модуль сдвига
М – магнитный момент
Jм – намагниченность
kм – магнитная восприимчивость
Н – напряженность магнитного поля
Нс – коэрцитивная сила
Вs – магнитная индукция насыщения
Вr – остаточная магнитная индукция
м – относительная магнитная проницаемость
мо – магнитная постоянная
м н - начальная магнитная проницаемость
м s – максимальная магнитная проницаемость
fкр – критическая частота
дм –угол магнитных потерь
е – диэлектрическая проницаемость





1. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Проводниковыми называют материалы, основным электриче-ским свойством которых является высокая электропроводность. Это свойство в основном и определяет их широкое применение в РЭС. Проводниками электрического тока могут служить твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях и газы.
Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы, оксиды металлов, некоторые модификации углерода, гетеро-генные композиционные материалы.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Как правило, температура плавления метал-лов высока, поэтому при комнатной температуре в качестве жидкого металлического проводника может быть использована только ртуть. Температуру плавления, близкую к комнатной (29,8оС), имеет еще и галлий.
Механизм прохождения тока в металлах в твердом и жидком состоянии обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной проводимостью или проводниками первого рода.
Электролитами или проводниками второго рода, являются растворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей, а также рас-плавы ионных соединений.
Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую равновесную проводящую среду, называемую плазмой.
Проводниковые материалы в радиоэлектронных средст-вах могут выполнять следующие функции: коммутационные, контактные, защитные, барьерные, адгезионные и другие.
Ко всем проводниковым материалам предъявляются сле-дующие требования:
стабильность электрических и механических параметров во времени;
проводниковые материалы одной марки должны иметь допустимые разбросы численных значений параметров;
свойства материалов должны быть стабильными в опре-деленном диапазоне температур;
материалы должны обладать высокими технологически-ми свойствами – хорошо обрабатываться резанием, прокаткой, волочением и другими методами обработки;
должны быть дешевыми.

1.1. Физическая природа электропроводности металлов
В основе классической электронной теории лежит представ-ление о металлах, как о системах, построенных из положительных атомных остовов – ионов, находящихся в среде свободных коллекти-визированных электронов. Согласно этой теории, электроны в метал-лах ведут себя как электронный газ, которому приписываются свой-ства идеального газа, то есть свободные электроны движутся хаотич-но со средней скоростью теплового движения и сталкиваются с ионами. При наложении внешнего электрического поля в металличе-ском проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное направленное движение (дрейф) со средней скоро-стью , то есть возникает электрический ток. Плотность тока в про-воднике определяется выражением

, (1.1)

где e – заряд электрона;
n – концентрация электронов, равная концентрации атомов;
– среднее значение скорости дрейфа.
После преобразований эта формула приобретает вид

, (1.2)
где – средняя длина свободного пробега электронов (путь, пройденный электроном между двумя столкновениями);
mo – масса электрона;
– средняя скорость теплового движения;
г - удельная проводимость (величина обратная удельному сопротивлению );
E – напряженность электрического поля.
Таким образом, плотность тока пропорциональна напряжен-ности электрического поля, то есть выражение (1.2) является анали-тическим выражением закона Ома. Из выражения (1.2) следует, что величина удельного электрического сопротивления равна

с = mо. Ū/(e2nl). (1.3)

Классическая электронная теория объясняет существование электрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля - Ленца. Однако в некоторых случаях эта теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом. Основной недостаток клас-сической теории заключается в предположении о том, что электрон-ный газ является невырожденной системой. В таких системах в каж-дом энергетическом состоянии может находиться любое число элек-тронов, и все электроны проводимости принимают независимое уча-стие в создании электрического тока. Квантовая теория основана на принципе Паули, согласно которому в каждом электрическом со-стоянии может находиться только один электрон. В процессе элек-тропроводности принимают участие не все свободные электроны, а только небольшая часть их, имеющая энергию, близкую к энергии Ферми (фермиевские электроны). Такие системы называют вырож-денными. В рамках квантовой теории выражение для удельной про-водимости имеет вид

(1.4)
где h – постоянная Планка.
Тепло через металл передается в основном теми же свобод-ными электронами, которые определяют и электропроводность ме-таллов. Количество их в единице объема металла весьма велико, по-этому, как правило, коэффициент теплопроводности л металлов во много больше, чем л диэлектриков. Очевидно, что при прочих рав-ных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость г металла, тем больше его коэффициент теплопроводности л. При по-вышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость г уменьшаются, отноше-ние коэффициента теплопроводности металла к его удельной прово-димости л/г должно возрастать. Математически это выражается зако-ном Видемана – Франца – Лоренца:

л/г =LoT, (1.5)

где T – абсолютная температура, К;
Lo – число Лоренца

; (1.6)

k – постоянная Больцмана.
Из выражения (1.5) следует, что отношение удельной тепло-проводности к удельной проводимости металла при данной темпера-туре есть величина постоянная, не зависящая от природы проводни-ка. Этот закон хорошо выполняется для подавляющего большинства металлов при температурах, близких к комнатной температуре или несколько повышенных.
1.2 Влияние внешних факторов на электропроводность металлов
Температурная зависимость удельного сопротивления металлов. Концентрация электронов в чистых металлах различается незначительно, температурное изменение концентрации также очень мало. Поэтому проводимость определяется в основном средней дли-ной свободного пробега, которая зависит от температуры. В чистых металлах с идеальной кристаллической решеткой единственной при-чиной, ограничивающей длину свободного пробега электронов, яв-ляются тепловые колебания атомов в узлах кристаллической решет-ки, амплитуда которых возрастает с ростом температуры. Это, в свою очередь, усиливает рассеяние электронов и вызывает рост удельного сопротивления.
Средняя длина свободного пробега электронов определяется выражением
, (1.7)

где kупр – коэффициент упругой связи, которая стремится вер-нуть атом в положение равновесия;
N – число атомов в еденице объема;
Т – абсолютная температура.
После подстановки (1.7) в (1.4) получим, что удельное сопро-тивление металлов линейно увеличивается с температурой

(1.8)

где В – постоянная величина, которая следует из приведенного выражения.
Как показывает эксперимент, линейная аппроксимация зави-симости с(T), как правило, справедлива при температурах от комнат-ных до температур, близких к точке плавления. В области низких температур теория предсказывает степенную зависимость с~T5, тем-пературный интервал, в котором наблюдается резкая степенная зави-симость, бывает очень небольшим.
Относительное изменение удельного сопротивления при из-менении температуры на один градус называют температурным ко-эффициентом удельного сопротивления

. (1.9)

Положительный знак бс соответствует случаю, когда удельное сопротивление возрастает при повышении температуры. У большин-ства металлов при комнатной температуре бс=0,004 К-1.
Типичная кривая изменения удельного сопротивления метал-ла в зависимости от температуры представлена на рис. 1.1.




Рис.1.1. Зависимости удельного сопротивления металлов от температуры: 1 - типичные температурные зависимости для боль-шинства металлов (I – узкая область сверхпроводимости; II – пере-ходная область быстрого роста ; III – линейный участок; Тсв – темпе-ратура перехода в сверхпроводящее состояние; Т= И – температура перехода от участка II к участку III; Тпл – температура плавления); 2 - для некоторых переходных и редкоземельных металлов

Влияние примесей и других структурных дефектов на удельное сопротивление металлов. В реальных металлах причина-ми рассеяния электронов являются не только тепловые колебания атомов в узлах кристаллической решетки, но и статические дефекты структуры. Отсюда вытекает правило Маттиссена об аддитивности удельного сопротивления

с = ст + сост . (1.10)

То есть полное удельное сопротивление металла есть сумма удельного сопротивления, обусловленного рассеянием электронов на тепловых колебаниях атомов в узлах решетки, и остаточного удель-ного сопротивления, обусловленного рассеянием электронов на ста-тических дефектах структуры. Рассеяние на дефектах не зависит от температуры, исключение составляют сверхпроводящие металлы, в которых сопротивление исчезает ниже некоторой критической тем-пературы.
Наиболее существенный вклад в остаточное сопротивление вносит рассеяние на примесях, которые всегда присутствуют в реаль-ном проводнике либо в виде загрязнения, либо в виде легирующего элемента. Следует заметить, что любая примесная добавка приводит к повышению с, даже если она обладает повышенной проводимо-стью по сравнению с основным металлом. Так, введение в медный проводник 0,01 ат. доли примеси серебра вызывает увеличение удельного сопротивления меди на 0,2 . 10 -8 Ом•м. Экспериментально установлено, что при малом содержании примесей удельное сопро-тивление возрастает пропорционально концентрации примесных атомов.
Иллюстрацией правила Маттиссена является рис. 1.2. Темпе-ратурные зависимости удельного сопротивления чистого металла (в данном случае меди) и его сплавов с малым количеством (до 2-4ат.%) индия, сурьмы, олова, мышьяка одинаковы: они взаимопараллельны; для сплавов с переходными металлами (никелем, марганцем, желе-зом) наблюдаются отклонения от этого правила.
Одна из причин отклонений от правила Маттиссена может быть связана с влиянием примесей на упругие свойства металла, что сопровождается изменением колебательного спектра кристалличе-ской решетки.




Рис.1.2. Температурные зависимости удельного сопротивле-ния сплавов меди типа твердых растворов: 1- чистая Cu; 2 – Cu + 1,03ат.% In; 3 – Cu + 1,12ат.%Ni; 4 – Cu + 0,4ат.%Sb; 5 – Cu + 0,89ат.%Sn; 6 – Cu + 2,16 ат.%Ni; 7 – Cu + 1,20 ат.%Mn; 8 - Cu + 0,61 ат.%Fe; 9 – Cu + 3,32 ат.%Ni; 10 – Cu + 0,87 ат.%Fe; 11 – Cu + 1,13 ат.%Sb; 12 – Cu + 1,01 ат.%As.

Изменение удельного сопротивления металлов при де-формациях. Изменение с при упругом растяжении или сжатии мож-но приближенно оценить по формуле

(1.11)

где сo - удельное сопротивление металла не подверженного механи-ческому воздействию; - коэффициент удельного сопро-тивления по давлению; у -механическое напряжение.
Знак «плюс» в (1.11) соответствует растяжению, «минус»- сжатию. Коэффициент к обычно составляет (1ч5)∙10-11, Па-1.
Изменение с при упругих деформациях объясняется измене-нием амплитуды колебаний атомов в узлах кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии – уменьшаются. Увеличение амплитуды колебаний обусловливает усиление рассеяния электронов и, как следствие, возрастание с. Уменьшение амплитуды колебаний, наоборот, приводит к уменьше-нию с.
Пластическая деформация и наклёп, как правило, повышают удельное сопротивление металлов и сплавов в результате искажений кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термиче-ской обработки (отжига) удельное сопротивление может быть вновь снижено до первоначального значения за счет «залечивания» дефек-тов и снятия внутренних напряжений.
Удельное сопротивление сплавов. Выше было приведено правило Маттиссена, относящееся к металлам, содержащим примеси и структурные дефекты. Было показано, что примеси и нарушения структуры металлов приводят к увеличению их удельного сопротив-ления.
Возрастание с наблюдается не только при наличии в металле примесей и дефектов, но и при сплавлении двух металлов, если они образуют твердый раствор. При их образовании сохраняется кри-сталлическая решетка металла- растворителя, изменяется лишь по-стоянная решетки, но атомы компонентов распределяются по ее уз-лам беспорядочно. Некоторые металлы с одинаковыми кристалличе-скими структурами смешиваются в любой пропорции, то есть обра-зуют системы непрерывных твердых растворов, растворяемость дру-гих ограничена. Наличие атомов разных видов лишает решетку иде-альной периодичности и приводит к сильному рассеянию электро-нов, В этом случае сопротивление сплава сильно возрастает. Как и в случае металлов, полное удельное сопротивление сплава можно вы-разить в виде двух слагаемых

сспл = ст + сост , (1.12)
где ст - сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на теп-ловых колебаниях решетки; сост - добавочное (остаточное) сопротив-ление, связанное с рассеянием электронов на неоднородностях струк-туры сплава.
Специфика твердых растворов состоит в том, что сост может во много раз превышать ст.
Для многих двухкомпонентных сплавов изменение сост в зави-симости от состава хорошо описывается параболической зависимо-стью вида

сост = С ХА ХВ = C ХВ (1 – Х В), (1.13)

где С – константа, зависящая от природы сплава; ХА и ХВ–концентрация компонентов А и В в сплаве.
Соотношение (1.13) получило название правила Курнакова- Нордгейма. Из него следует, что в бинарных твердых растворах А-В сост увеличивается как при добавлении атомов В к металлу А, так и при добавлении атомов А к металлу В, причем это изменение харак-теризуется примерно симметричной кривой (рис. 1.3, кривая a). Оста-точное сопротивление достигает своего максимального значения при XA =X B= 0,5.
Правило (1.13) хорошо выполняется, если оба сплавляемых металла изоэлектронные (принадлежат к одной группе периодиче-ской системы). Если сплавляемые металлы принадлежат к разным группам, зависимость «удельное сопротивление - состав» всегда не-симметричная, со сдвинутым от середины диаграммы максимумом (рис. 1.4, кривая 1). Максимум сдвинут в сторону металла, сопротив-ление которого больше.



Рис.1.3. Зависимость удельного сопротивления от состава сплавов Au – Cu: a - для неупорядоченных сплавов (после закалки); б - для упорядоченных сплавов (после отжига); 1- сплав Cu3Au; 2- сплав CuAu.

Чем больше удельное сопротивление сплава, тем меньше его температурный коэффициент удельного сопротивления бс. Это объ-ясняется тем, что в твердых растворах сост , как правило, существенно превышает ст и не зависит от температуры. Иногда бс сплавов может приобретать небольшие по абсолютной величине отрицательные значения. Отмеченные аномалии отчетливо проявляются в медно- никелевых сплавах (рис. 1.4. , кривая 2).


Рис. 1.4. Зависимость удельного сопротивления(1), и темпера-турного коэффициента удельного сопротивления (2) медно- никеле-вых сплавов от состава.
Эти особенности объясняются тем, что у сплавов изменение с вызывается не только изменением подвижности носителей заряда как в чистых металлах, но в некоторых случаях и возрастанием концен-трации носителей при повышении температуры.
Некоторые сплавы имеют тенденцию образовывать упорядо-ченные структуры, если выдержаны определенные пропорциями в составе. Причина упорядочения заключается в более сильном хими-ческом взаимодействии разнородных атомов по сравнению с атома-ми одного сорта. Например, в системе Cu - Au, упорядочение наблю-дается в составах CuAu и Cu3Au. Образование упорядоченных струк-тур сопровождается снижением удельного сопротивления твердого раствора, причем весьма существенным (рис. 1.3 , кривая б).
В том случае, когда компоненты бинарной системы не обла-дают взаимной растворимостью в твердом состоянии, структура за-стывшего после кристаллизации сплава представляет собой механи-ческую смесь двух фаз. Удельное сопротивление таких гетерофазных сплавов в первом приближении линейно изменяется с изменением состава, то есть возрастает пропорционально содержанию металла с значением с. В таких сплавах не наблюдается искажение кристаллической решетки.
Влияние размеров проводника на электрические свойст-ва. Как было показано в разделе 1.1 , значение проводимости тем больше, чем больше средняя длина свободного пробега носителей заряда . При высоких температурах в металлах не слишком сильно отличается от межатомных расстояний в кристалле, то есть, мала по сравнению с геометрическими размерами проводника. Поэтому гео-метрические размеры не влияют на удельную проводимость. При по-нижении температуры рассеяние на колебаниях решетки уменьшает-ся очень сильно, и если металл достаточно чист, чтобы можно было пренебречь рассеянием на примесях, возрастает. Для проводников в виде тонкой проволоки или пленки длина свободного пробега стано-вится сравнимой с толщиной пленки или с диаметром проволоки. Это ограничивает увеличение при дальнейшем понижении темпе-ратуры (носители рассеиваются на границе проводника), соответст-венно ограничивается рост удельной проводимости. Таким образом, в результате «размерного» эффекта удельное сопротивление тонких образцов возрастает по сравнению с массивными образцами того же состава. Это явление можно наблюдать на пленках и проволоках уже при температуре жидкого азота (77 К). На еще более тонких пленках (толщина 0,01-0,1мкм), полученных методами напыления или осаж-дения, эффект хорошо заметен даже при комнатной температуре. Электрические свойства тонких пленок металлов и сплавов могут значительно отличаться от свойств объемных образцов проводящих материалов. Кроме размерного эффекта на удельное сопротивление пленок влияет следующие причины, связанные с особенностью по-лучения пленок:
медленное наращивание из газовой фазы, в результате чего металл взаимодействует с газом или остаточной атмосферой вакуум-ной камеры;
химическое и механическое взаимодействие материала плен-ки с материалом подложки;
внутренние напряжения в системе пленка-подложка из-за не-соответствия их ТКЛР;
влияние электродиффузии в пленках.
Поскольку характер зарождения и роста пленок зависит от многих случайных факторов, то на практике трудно получить точное совпадение значений удельных сопротивлений для пленок одинако-вой толщины. Поэтому для сравнительной оценки проводящих свойств тонких пленок используют сопротивление квадрата R□ (или сопротивление на безразмерный квадрат, или удельное поверхност-ное сопротивление). Так как R не зависит от величины квадрата, то сопротивление тонкопленочного резистора рассчитывается по фор-муле

R = R□ L / d, (1.14)

где L - длина пленочного элемента; d – ширина пленки.
Термоэлектрические явления. Если вдоль разомкнутого проводника имеется градиент температуры, то на концах его появля-ется разность потенциалов, называемая термоэлектрической разно-стью потенциалов или термо - э.д.с. Причина ее возникновения за-ключается в том, что вовлеченные в тепловой поток электроны пере-носят электрический заряд. Э.д.с., возникающая на концах проводни-ка при разности температур концов, равной одному градусу, называ-ется абсолютной удельной (дифференциальной) термо -э д.с.
В незамкнутой цепи, состоящей из двух или более разнород-ных проводников, находящихся при одинаковой температуре, появ-ляется э.д.с., называемая контактной разностью потенциалов. Её возникновение обусловлено различием работ выхода электронов и различием значений концентрации свободных электронов соприка-сающихся металлов. При замыкании цепи контактные разности по-тенциалов компенсируются. В такой цепи э.д.с. возникает только в том случае, когда контакты проводников («спаи») имеют разную температуру. По имени первооткрывателя это явление получило на-звание эффекта Зеебека. Как показывает опыт, в относительно не-большом интервале температур термо-э.д.с. пропорциональна разно-сти температур контактов

U ~ бт (Т2-Т1), (1.15)

где бт - относительная дифференциальная или удельная термо-э.д.с.; Т1 и Т2 – температуры контактов (спаев).
Значение бт зависит от природы соприкасающихся про-водников и температуры.
Провод, составленный из двух изолированных проволок из различных металлов или сплавов, называют «термопарой» и используют для измерения температуры. Для термопар ис-пользуют проводники, которые имеют большую по величине бт и стабильную во времени. Наоборот, для обмоток измери-тельных приборов и эталонных резисторов, стремятся приме-нять проводниковые металлы и сплавы с возможно меньшей бт относительно меди. Это позволяет избежать появления в изме-рительных схемах паразитных термо-э.д.с., которые могли бы вызвать ошибки при точных измерениях.
1.3. Проводниковые материалы высокой проводимости
К этой группе материалов принято относить металлы с удель-ной электрическим сопротивлением не более 10-7 Ом∙м. В данном разделе приводятся проводниковые металлы по порядку их величины удельного электрического сопротивления. Наиболее распространен-ными среди этих проводников являются медь и алюминий. Провод-никовые металлы: серебро, золото, платина, палладий относятся, кроме того, к благородным металлам благодаря их высокой химиче-ской стойкости.
Серебро – блестящий металл белого цвета, стойкий к окисле-нию при нормальных условиях; обладает наилучшими среди метал-лов электропроводностью (с = 1,50∙10-8 Ом∙м), теплопроводностью и отражательной способностью. Предел прочности при растяжении ув для серебряной проволоки составляет 200 МПа, пластичность д - 50%.
Серебро получают из руды химическим способом или посред-ством электролиза. Двух – и трехкратное повторение электролитиче-ской очистки дает возможность получить серебро очень высокой степени чистоты: Ср-999 (99,90 % Ag) и Cp-999,9 (99,99 % Ag).
Серебро применяется в широкой номенклатуре контактов в аппаратуре разной мощности, в качестве электродов, непосредствен-но нанесенных на диэлектрики, в производстве керамических и слю-дяных конденсаторов. Для этого применяют методы вжигания, тер-мовакуумного напыления и др. Серебром покрывают внутренние по-верхности волноводов СВЧ и провода высокочастотных катушек для получения слоя высокой проводимости. Серебро применяют также при изготовлении серебряно-цинковых и серебряно-кадмиевых ак-кумуляторов. Сплавы серебра с другими благородными металлами и медью используются в скользящих и коммутирующих контактах. Серебро хорошо паяется обычными припоями.
Недостатком серебра является склонность к миграции внутрь диэлектрика, на который оно нанесено, особенно при высокой темпе-ратуре и влажности. Поэтому серебро не применяют в качестве про-водящих пленок в микросхемах и в устройствах функциональной электроники (например, при изготовлении встречно-штырьевых пре-образователей фильтров на ПАВ). По сравнению с другими благо-родными металлами серебро обладает пониженной химической стойкостью. В частности, серебро обладает склонностью к образова-нию непроводящих темных пленок сульфида Ag2S в результате взаимодействия с сероводородом, который почти всегда присутству-ют в атмосфере.
Медь. Удельное электрическое сопротивление меди составля-ет 1.68∙10-8 Ом∙м, плотность 8900 кг/м3.
Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое примене-ние в качестве проводникового материала, следующие:
1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);
2) достаточно высокая механическая прочность;
3) удовлетворительная в большинстве случаев коррозионная стойкость;
4) хорошая обрабатываемость – медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до 10-2 мм;
5) относительная легкость пайки и сварки.
Медь встречается в природе в самородном состоянии, а также в виде медных руд. Производство меди основано на переработке сульфидных и оксидных соединений. После ряда плавок руды и об-жигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротех-нических целей, обязательно подвергается электролитической очист-ке. Полученные после электролиза катодные пластины меди пере-плавляют в болванки массой 80-90 кг, которые прокатывают и протя-гивают в изделия требуемого поперечного сечения.
По механическим свойствам различают медь твердую неото-жженную (маркируется МТ) и медь мягкую отожженную (маркиру-ется ММ). Медь марки МТ имеет высокий предел прочности при растяжении (ув до 450 МПа) и малую пластичность (д до 3%). Если после прокатки медь подвергается отжигу (без доступа воздуха во избежание окислений), то получится мягкая отожженная медь ММ, обладающая меньшей прочностью (ув = 250-270 МПа), сравнительно высокой пластичностью (д=40-50%) и более высокой проводимо-стью.
Стандартная медь, по отношению к которой выражают в про-центах удельные сопротивления металлов и сплавов в отожженном состоянии при 20оC, имеет удельное сопротивление 1.72∙10-8 Ом∙м.
Значительное влияние на свойства меди оказывает водород, особенно сильно при наличии кислорода, присутствующего в меди в виде закиси Cu2O. Водород, легко проникая в глубь металла при по-вышенных температурах, вступает в реакцию Cu2O + H2 = 2Cu + H2O. Давление образующегося в металле водяного пара из-за его незначи-тельной скорости диффузии достигает несколько тысяч атмосфер, приводит к образованию микротрещин, придающих материалу хруп-кость и ломкость. Это явление называют «водородной болезнью».
Из выпускаемых марок стандартной меди в качестве провод-никового материала используется медь с минимальным количеством примесей М1 (99,90 % Сu) и МО (99,95 % Сu). В меди М1 в общем количестве примесей (0.10 %) кислорода должно быть не более 0.08 %. Кислород является одной из наиболее вредных примесей в меди. Для изготовления наиболее тонкой проволоки применяется медь МО, в составе которой содержится не более 0.05% примесей, в том числе не свыше 0.02 % кислорода. В электровакуумной технике применяют бескислородную медь. Ее получают из электролитиче-ской меди, переплавленной в защитной атмосфере восстановительно-го газа СО. Лучшая бескислородная медь содержит 99,97 % Сu, 0,001 % О2 и обозначается МОб. Еще более чистым металлом являет-ся вакуумная медь МОО, выплавляемая в вакуумных печах в графи-товых тиглях при остаточном давлении газа порядка 10-3 Па. В ней содержится 99,99 % Cu и практически отсутствует кислород.
Удельная проводимость меди весьма чувствительна к нали-чию примесей (рис. 1.5).


Рис. 1.5. Влияние различных примесей на удельную проводи-мость меди

Так, при содержании в меди 0,5 % примеси Zn, Cd, Ag удель-ная проводимость ее снижается на 5%. При том же содержании Ni, Sn, Al удельная проводимость меди падает на 25 – 40 %. Еще более сильное влияние оказывают примеси Be, As, Fe, Si, P, снижающие ее удельную проводимость на 55 % и более.
Недостатком меди является ее подверженность коррозии с об-разованием окисных и сульфидных пленок, поэтому проводящие элементы и провода защищают от внешних воздействий лаковыми или эмалевыми покрытиями.
Медь применяют для изготовления монтажных и обмоточных проводов, коаксиальных кабелей, токоведущих деталей приборов и аппаратов. Медь используют для изготовления фольгированных слоистых пластиков, применяемых при производстве печатных плат, применяют в микроэлектронике в виде осажденных на подложки пленок, играющих роль проводящих соединений между функцио-нальными элементами схемы. Кроме того, из специальных электро-вакуумных сортов меди изготавливают аноды и другие детали мощ-ных генераторных ламп, выводы энергии приборов СВЧ, некоторые типы волноводов и резонаторов, стойки антикатодов рентгеновских трубок.
Золото – мягкий, очень пластичный металл блестящего жел-того цвета. Предел прочности при растяжении золотой проволоки составляет 150 МПа, пластичность составляет ~ 40 %. Золото обла-дает хорошей электропроводностью - удельное сопротивление со-ставляет 2,25∙10-8 Ом∙м.
В природе золото встречается в самородном состоянии, в со-ставе золотых руд, а также как примесь других руд. По химическому составу различают золото марки Зл-999,9 (99.99 % Au) и Зл-999 (99,90 % Au).
Существенным преимуществом золота как контактного мате-риала является его высокая химическая стойкость: на воздухе золото совершенно не изменяется; с кислородом, водородом, азотом и угле-родом не соединяется даже при самых высоких температурах. На зо-лото не оказывают влияния щелочи и кислоты, за исключением цар-ской водки (смеси соляной и азотной кислот).
В электронной технике золото применяют как контактный ма-териал, в качестве коррозионно-устойчивых покрытий резонаторов, волноводов и полосковых линий СВЧ устройств, электрических вы-водов активных элементов. Тонкие пленки золота применяются в качестве полупрозрачных электродов в фоторезисторах и по-лупроводниковых фотоэлементах, а также, наряду с тончайшей (5 – 10 мкм) проволокой, в производстве микросхем и полупроводни-ковых приборов. В контактах золота с алюминием происходит обра-зование интерметаллических соединений, обладающих повышен-ным удельным сопротивлением и хрупкостью. Поэтому контакты тонких пленок золота и алюминия в микроэлектронике не допусти-мы.Сплавы золота с другими благородными металлами и медью ис-пользуются в качестве проводниковых покрытий, проводников и скользящих контактов.
Алюминий это проводниковый металл серебристо-белого цвета. Он является представителем легких металлов, то есть метал-лов с плотностью ≤ 5000 кг/м3 (плотность алюминия 2700 кг/м3).. Удельное сопротивление алюминия составляет 2,6∙10-8 Ом∙м, что примерно в 1,63 раза больше удельного сопротивления меди. Поэто-му замена меди алюминием не всегда возможна, особенно в радио-электронике. Однако, если сравнить по массе два отрезка алюминие-вого и медного проводов одной и той же длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в 2 раза. К тому же алюминий намного больше распространен в природе и имеет меньшую стои-мость.
Алюминий обладает низкой механической прочностью (ув ≈ 75 МПа), отожженный алюминий в три раза менее прочен на разрыв, чем отожженная медь.
Получают алюминий электролизом глинозема Al2O3 в распла-ве криолита Na3AlF6 при температуре 950 °С.
Для электротехнических целей используют алюминий техни-ческой чистоты марок: AE, A, A0, A5-A8, A85 (содержание алюми-ния в них составляет 99,5 - 99,85 % и примесей 0,5 – 0,15 %). Изго-товленная из алюминия АЕ и отожженная при температуре 350±20°С проволока обладает удельным сопротивлением при 20°С не более 2,8∙10-8 Ом∙м. Алюминий химической чистоты (А95, А97, А995) с со-держанием алюминия 99,95ч95,995 % и примесей 0,05ч0,005 % при-меняют для изготовления тонкой алюминиевой фольги (6 – 7 мкм), используемой в качестве обкладок в бумажных и пленочных кон-денсаторах, при производстве электродов и корпусов электролитиче-ских конденсаторов. Алюминий особой чистоты А999 содержит не более 0,001 % примесей. Разные примеси в различной степени сни-жают удельную проводимость алюминия. Добавки никеля, кремния, цинка или железа в количестве 0,5 % снижают удельную проводи-мость не больше чем на 2 -3 %. Более заметное действие оказывают примеси меди, серебра и магния, снижающие её на 5 – 10 %. Очень сильно снижают удельную проводимость алюминия добавки вана-дия, титана и марганца.
Интересно отметить, что при низких температурах удельное сопротивление алюминия сравнимо с аналогичным параметром для меди, а при температурах ниже температуры жидкого азота стано-вится меньше удельного сопротивления меди (рис.1.6). Этот факт де-лает перспективным использование алюминия в качестве криопро-водника.
Алюминий активно окисляется и покрывается тонкой пленкой окиси с большим электрическим сопротивлением. Такая пленка пре-дохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта, что делает невозможным пайку алюминия обычными методами.


Рис. 1.6. Зависимость удельного сопротивления от температу-ры для меди и алюминия.
Поэтому для пайки алюминия применяют специальные при-пои или используют ультразвуковые паяльники. Оксидная пленка прочна механически и нагревостойка; она может быть сравнительно тонкой (слой окисла толщиной 0,03 мм имеет пробивное напряжение 100 В, а толщиной 0,04 мм – около 250 В).
Из оксидированного алюминия изготавливают различные ка-тушки без дополнительной междувитковой и междуслойной изоля-ции. Недостатками оксидной изоляции проводов является ее ограни-ченная гибкость и заметная гигроскопичность (в тех случаях, когда не требуется большой нагревостойкости оксидной изоляции, ее покры-вают лаком). Наиболее широко оксидированный алюминий приме-няется для изготовления электролитических конденсаторов, электро-дов в разрядниках, катодов в рентгеновских трубках, электродов в выпрямителях тлеющего разряда, диафрагм и отклоняющих пластин в электронно-лучевых трубках и в других случаях, когда должно от-сутствовать катодное распыления металла.
Химически чистый алюминий (марок А95 – А995) широко применяется для получения проводящих тонких пленок в интеграль-ных микросхемах, для получения всречно-штырьевых преобразова-телей в функциональных устройствах на поверхностных акустиче-ских волнах (фильтры, линии задержки и другие). Необходимо отме-тить, что для получения высокой адгезии алюминиевых пленок с ди-электрическими подложками сначала напыляют тонкие пленки из ванадия или хрома.
Алюминий используется при производстве электрических проводов, кабельных, тонкопленочных и других токопроводящих изделий, для изготовления «окошек», прозрачных для электронов, в рентгеновских трубках и счетчиках.
Платина – блестящий металл серовато-белого цвета, практи-чески не соединяющийся с кислородом и весьма стойкий к химиче-ским реагентам. Удельное сопротивление платины при 20 оС равно 9,8∙10-8 ОМ∙м. Платину получают из руды гидрометаллурги-ческим способом. По химической чистоте различают следующие марки платины: Пл - 99,93 (99,93 % Pt); Пл - 99,9 (99,90 % Pt); Пл - 99,8 (99,80 % Pt). Платина прекрасно поддается механической обработке, вытягивается в очень тонкие нити и ленты. Химически чистая платиновая проволока производится в твердом (ПлТ) и мяг-ком (ПлМ) состояниях. Предел прочности при растяжении для мяг-кой проволоки ув = 120 - 200 МПа и пластичность около 40%, для твердой ув = 250 МПа.
В отличие от серебра платина не образует сернистых соедине-ний при взаимодействии с атмосферой, что обеспечивает платино-вым контактам стабильное переходное сопротивление. Она практи-чески не растворяет водород, пропуская его через себя в нагретом со-стоянии. После отжига в водороде платина сохраняет свои свойства. Однако при прокаливании в углеродсодержащей среде платина ста-новится хрупкой.
Платину применяют для изготовления образцовых термомет-ров сопротивления, термопар, рассчитанных на рабочие температуры 1600 оС (в паре со сплавом платинородий). Особо тонкие нити из платины диаметром около 1 мкм используют для подвесок подвиж-ных систем электрометров, балометров, радиационных термоэлемен-тов. Такие тончайшие нити получают многократным волочением би-металлической проволоки платина-серебро с последующим раство-рением наружного слоя серебра в азотной кислоте, которая на плати-ну не действует.
Вследствие малой твердости платина редко используется для изготовления контактов, но служит основой для некоторых контакт-ных сплавов. Наиболее распространенными являются сплавы плати-ны с иридием. Они не окисляются, имеют высокую твердость, малый механический износ, допускают большую частоту переключений. Однако эти сплавы дороги и применяются в тех случаях, когда необ-ходимо обеспечить высокую надежность контактов.
Палладий – серебристо-белый металл, по внешнему виду и ряду свойств напоминает платину и частично служит её заменителем, поскольку дешевле в 4-5 раз. Удельное электрическое сопротивление палладия составляет 10,8∙10-8 Ом∙м. Палладий обладает наименьшей плотностью (12000 кг/м3 , платина – 21450 кг/м3) и температурой плавления (1552 оС) из всех платиновых металлов; в чистом виде мя-гок, пластичен и легко поддается обработке. Предел прочности при растяжении ув для палладия 185 МПа, пластичность д = 24-30 %. На свойства палладия влияют примеси и способ обработки. При холод-ной прокатке твердость палладия увеличивается в 2 - 2,5 раза, при отжиге ув возрастает до 210 МПа, а д достигает 40 %.
Палладий легче, чем другие платиновые металлы подвергает-ся химическим воздействиям, поверхность его окисляется при нагре-вании на воздухе.
Проволока палладия выпускается в твердом (ПдТ) и мягком отожженном (ПдМ) состояниях. По содержанию примесей выпуска-ется палладий марки Пд – 99,9 (99,90 % Pd) и Пд - 99,8 (99,80 % Pd).
Чистый палладий используется для покрытия скользящих контактов, работающих при небольших контактных усилиях, что увеличивает их срок службы, в припоях и контактолах. Палладиево- вольфрамовый сплав(20 %W) применяется в переменных резисто-рах4как резистивный материал с большим ресурсом работы и низким уровнем контактных шумов. Серебряно-палладиевые сплавы исполь-зуются как резистивные материалы, сплавы палладия с серебром и медью применяют в качестве контактных материалов.
В последнее время порошки серебряно-палладиевых сплавов и чистого палладия стали использоваться в качестве проводящего компонента паст, применяющихся в толстопленочной технологии микроэлектроники.
Палладий используют в электровакуумной технике, благода-ря его способности интенсивно поглощать водород. Твердый палла-дий поглощает 900 объемов водорода на единицу собственного объ-ема. Выделенным из палладия чистым водородом наполняют неко-торые типы газоразрядных приборов.

1.4. Проводящие материалы с высоким удельным сопротивлением. Резистивные материалы

1.4.1. Металлические проводниковые материалы с высоким сопротивлением и сплавы для термопар

Резистивные материалы. Сплавами высокого сопротивле-ния называют проводниковые материалы, у которых значения удель-ного сопротивления в нормальных условиях составляют не менее 30∙10-8 Ом∙м. Их применяют при изготовлении обычных и образцо-вых проволочных резисторов, термопар, электроизмерительных приборов, шунтов и электронагревательных устройств. При исполь-зовании сплавов в качестве резисторов и в электроизмерительной технике от них требуется не только высокое удельное сопротивление ,но и малое значение б с, а так же малая термо-э.д.с. относительно ме-ди. Проводниковые резистивные материалы в электронагреватель-ных приборах должны длительно работать на воздухе при темпера-турах не ниже 1000 °С. Среди большого количества материалов для указанных целей наиболее распространенными на практике являются сплавы на основе меди - манганин, изабеллин и константан, а так же хромоникелевые и железохромоалюминиевые сплавы.
Сплавы типа манганина. Физические свойства и основной химический состав этих сплавов (манганин, изабелин, новоконстан-тан, константан) приведены в таблице 1.1. Это основные сплавы для изготовления образцовых резисторов, шунтов и добавоч-ных резисторов к измерительным приборам. Одним из наибо-лее важных требований к этим сплавам является малая термо-э.д.с. относительно меди. Собственно манганин – основной сплав на медной основе для изготовления прецизионных рези-сторов. Манганин отличается желтоватым оттенком, хорошо вытягивается в тонкую проволоку диаметром 0,02 мм. Его плотность 8400 кг/м3, предел прочности при растяжении 450-550 МПа, относительное удлинение 25 %. Для получения ма-лого бс и высокой стабильности сопротивления манганин под-вергают отжигу при температуре около 400 оС в течение 1-2 часа в вакууме или инертной атмосфере с последующим медленным охлаждением и дополнительной длительной вы-держкой (до 1 года) при комнатной температуре.
Изабеллин отличается от манганина отсутствием нике-ля и очень низким значением термо-э.д.с в паре с медью. бс изабеллина очень чувствителен к термообработке и после от-жига при 500 – 550 оС может иметь значение до 10-6 К-1, отжиг должен проводиться в том же режиме как и манганина.
Изабеллин применяется главным образом для обычных проволочных резисторов. Применению его в качестве преци-зионных резисторов препятствует неоднородность свойств по-сле старения, вероятно, вследствие недостаточной гомогенно-сти сплава.
Новоконстантан по своим характеристикам и областям применения сходен с изабеллином. Как и у изобеллина его не-достатком является непостоянство свойств из-за негомогент-ности сплава.
Константан – сплав меди и никеля с плотностью 8900 кг/м3, его основные свойства и состав представлены в табл.1.1. Содержание никеля в сплаве соответствует максиму-му удельного сопротивления и минимуму бс для сплавов Cu-Ni. Константан хорошо поддается обработке – его можно протягивать в проволоку и прокатывать в ленту.
Предел прочности при растяжении константановой про-волоки 500-700 МПа, относительное удлинение не менее 15-20 %.
Константан применяется для изготовления проволочных резисторов, нагревательных элементов с рабочей температурой не выше 500оC, термоэлектродов и компенсационных проводов термопар.
На поверхности константановой проволоки легко обра-зуются оксидные пленки, обладающие хорошими электроизо-ляционными свойствами. Покрытую такой изоляцией проволо-ку можно наматывать без изоляции между витками, если толь-ко напряжение между витками не превышает 1В. Таким обра-зом, например, изготавливают реостаты.
Главным недостатком константана как сплава для пре-цизионных резисторов является высокая термо-э.д.с. в паре с медью. Этим свойством константана пользуются при изготов-лении медно-константановых термопар, отличающихся высо-кой стабильностью и предназначенных для измерения темпе-ратуры от -250 до 700 оС.
Хромоникелевые сплавы (нихромы). Эти сплавы относят-ся к жаростойким сплавам с высоким удельным сопротивлени-ем (табл. 1.1) и широко применяются в качестве пленочных ре-зистивных материалов в тонкопленочных гибридных инте-гральных схемах и проволочных резисторах. Большое распро-странение они получили при изготовлении электронагревате-лей, работающих на открытом воздухе. Наиболее высоким ка-чеством обладают сплавы с индексом Н. Это обеспечивается совершенной технологией изготовления, дополнительным ле-гированием редкоземельными и другими элементами. Значи-тельная стойкость нихромов к окислению на воздухе при вы-соких температурах обусловлена образованием защитного слоя устойчивых оксидов Cr2O3 и NiO с температурными коэффи-циентами линейного расширения, близкими к бℓ сплава.
Таблица 1.1.
Основные свойства и состав сплавов высокого сопротивления

Наименова-ние сплава Состав с, Ом∙м∙108 бс, К-1106 бт ,
МкВ/К Траб, оС
Манганин
МНМц3-12
CuМnNi
42-48
5-30
1-2
100-200
Изабелин CuMnAl 50 1 -0.2 300
Константан
МНМц-1,5
CuNi
48-52
-(5-25)
40-50
450-500
Нихром
Х20Н80
NiCrMnFe
100-110
100-200
—
1100

Однако при резких изменениях температуры происходит частичное разрушение слоя оксидов, проникновение кислорода в трещины и дополнительное окисление сплава, т.е. срок службы нагревателя снижается. Следовательно, при много-кратном кратковременном включении нагревательный элемент из хромоникелевого сплава может перегореть скорее, чем в случае непрерывного режима нагрева (срок службы может от-личаться в 20-30 раз).
Для всех сплавов агрессивными являются среды, содер-жащие фосфор, галоиды и серу, кроме железохромоалюминие-вых сплавов, для которых допустимы серосодержащие газы.
Для изготовления проводов, предназначенных для элек-трических аппаратов, приборов и проволочных резисторов, ис-пользуется проволока из сплавов марок Х15Н60 и Х20Н80. Их механические свойства при 20 °С следующие: плотность 8200 и 8400 кг/м3, предел прочности при растяжении 645 и 656 МПА, пластичность 60 и 61 % соответственно. Примене-ние проволоки из этих сплавов в качестве резистивного мате-риала обусловлено тем, что они имеют малое значение бс в широком интервале температур, небольшую термо-э.д.с. отно-сительно меди, высокую стабильность сопротивления. Оксид-ные пленки на этой проволоке имеют небольшие и стабильные в широком интервале температур контактные сопротивления даже при малых контактных усилиях(50 – 100 г). Это наряду с высоким удельным сопротивлением и малым диаметром про-волоки делают возможным создание миниатюрных высокоом-ных резисторов постоянного и переменного сопротивлений, отличающихся высокими техническими характеристиками и большим ресурсом работы.
Тонкие пленки из нихрома Х20Н80, полученные мето-дом термовакуумного испарения и конденсации, применяются для изготовления тонкопленочных резисторов в интегральных микросхемах. Обычно применяют тонкие нихромовые пленки, имеющие поверхностное сопротивление Rпов = 50 -3 00 Ом и значение бс, изменяющееся в пределах от -3∙10-4 до +2∙10-4 К-1. Такие пленки имеют хорошую адгезию к диэлектрическим подложкам и высокую стабильность свойств.
Хром – металл серо- стального цвета, весьма распространен-ный в земной коре 2∙10-2 %. Плотностью хрома 7190 кг/м3, удельное сопротивление 13∙10-8 Ом∙м, температура плавления – 1875 оС, бс со-ставляет 24 .10 оС - 1. В природе встречаются почти исключитель-но в виде кислородосодержащих соединений. Хром бывает сле-дующих марок: Х99А, Х99Б (99,00 % Cr), Х98,5 (98,50 % Cr), Х98 (98,00 % Cr), Х97 (97,00%Cr).
Из тонких пленок хрома изготовляют резисторы и адгезион-ные подслои для контактных площадок и токопроводящих коммуни-каций в интегральных микросхемах, а также светонепроницаемые слои фотошаблонов. Пленки хрома осаждают на ситалловые, кера-мические, стеклянные подложки методами вакуумной конденсации или пиролиза. Хром входит в состав нихромов и других сплавов для нагревательных элементов, а также в состав нержавеющих, жаро-прочных сталей и магнитных материалов.
Хром используют для защитных покрытий изделий, в том числе работающих при высоких температурах. Хромирование про-изводится электролитически или путем насыщения хромом поверх-ностных слоев изделий посредством диффузии из внешней среды.
Тантал - металл серого цвета с легким синеватым оттенком с плотностью 16600 кг/м3 и температурой плавления 3000 оС, удель-ным электрическим сопротивлением 12,4∙10-8 Ом∙м . Температурный коэффийиент удельного сопротивления тантала составляет пример-но 38 .10-4 оС - 1. По содержанию в земной коре (2∙10-5 %) относится к довольно редким элементам. Промышленностью выпускается тантал марок ТЧ (99,75 % Та) и Т (99,30 % Та), торированный тантал ТТ-1 (1 % ThO2), а также танталониобиевые сплавы TH-3 (3,5 % Nb) и TH-20 (20 % Nb). Тантал характеризуется высокой пластичностью даже при комнатной температуре. Предел прочности при растяжении отожженной проволоки составляет 350 - 700 МПа, неотожженной 900 – 1250 МПа; пластичность отожженной проволоки д = 10 ч 50 %, неотожженной д = 1,5 ч 5 %. При нагревании на воздухе и при анодном окислении на поверхности тантала образуется плотная пленка пятиокиси Та 2О5, которая не разлагается до температуры 1500 о С. В отличие от вольфрама и молибдена тантал не становится хрупким при нагревании в вакууме до весьма высоких температур.
Из тантала получают резистивные пленки с удельным сопро-тивлением 10 – 200 Ом /□. Однако у металлических пленок тантала наблюдается изменение удельного сопротивления пленок под элек-трической нагрузкой в атмосферных условиях, что объясняется рас-творением в них азота и кислорода. При легировании тантала азотом стабильность пленок улучшается. Наилучшей стабильностью обла-дают пленки нитрида тантала Ta2N, который и применяют для изго-товления резисторов.
Особое значение тантал имеет при производстве конденсато-ров. Широкое применение получили электролитические и тонкопле-ночные конденсаторы, металлические пленки тантала в которых по-лучают методом анодного окисления. Тантал является металлом, об-разующим однородные пленки окисла в водных растворах почти любого электролита. Благодаря повышенной диэлектрической про-ницаемости Та2О5 (е = 25), такие конденсаторы обладают большой удельной емкостью.
Ввиду природной дефицитности и относительно высокой стоимости тантал используется для изготовления ответственных из-делий, работающих в напряженном тепловом режиме. В основном тантал применяется в электровакуумной промышленности для изго-товления анодов и сеток генераторных ламп, прямонакальных като-дов сложной формы, нераспыляемых газопоглотителей, вспомога-тельных деталей электровакуумных приборов. Кроме того, из танта-ла изготавливают тигли для плавки в вакуумных печах, испарители веществ при напылении тонких пленок, тонкопленочные резисторы в интегральных схемах.
Сплавы для термопар подразделяют на сплавы для термоэлектродов и сплавы для удлиняющих (компенсацион-ных) проводов. Чтобы получить чувствительную термопару, для термоэлектродов выбирают сплавы, существенно отли-чающиеся друг от друга по значению абсолютной термо-э.д.с. Кроме того термопары должны обладать высокой коррозион-ной стойкостью, хорошей гомогенностью и не слишком высо-ким удельным сопротивлением. Фактически для измерения температуры на воздухе или в других активных средах при по-вышенных температурах можно использовать лишь несколько металлов и сплавов. Наиболее часто применяют следующие сплавы:1) копель (56 % Сu и 44 % Ni); 2) алюмель (95 % Ni, остальное – Al,Si и Mn; 3) хромель (90 % Ni и10 % Сr); 4) пла-тинородий (90 % Рt и 10 % Rh).
Основные свойства некоторых сплавов для термопар приведены в таблице 1.2. На рис.1.7 представлены зависимости термо-э.д.с. от разности температур горячего и холодного спа-ев для наиболее употребительных термопар.
Небольшие изменения состава сплава могут привести к значительным изменениям термо-э.д.с. Однако это не лимити-рует точности измерений, если только термопара не использу-ется без предварительной градуировки.

Таблица 1.2
Основные свойства некоторых сплавов для термопар

Свойство хро-мель алю-мель копель плати-нородий
Плотность, кг/м3 8720 8670 8900 20000
с, Ом∙м∙108
при 20°С
68
33
47
20
ув, МПа
при 20°С
500
450
400
300
Пластичсть д, % при 20 °С
15-20
20-25
15-20
35
Тпл., °С 1435 1450 1290 1840

Верхняя граница измеряемых температур для термопар следующая: платинородий - платина до 1600 °С, медь - кон-стантан и медь - копель до 350 °С; железо - константан, железо - копель и хромель - копель до 600 °С; хромель-алюмель до 1000 °С.
Из применяемых на практике термопар наибольшую термо-э.д.с. при данной разности температур имеет термопара хромель-копель.
Большинство термопар устойчиво работает только в окислительной среде, в процессе длительной эксплуатации может наблюдаться постепенное изменение удельной термо-э.д.с. Причинами нестабильности свойств являются загрязне-ние примесями, летучесть компонентов, окисление проволок, резкие перегибы и деформации, которые вносят внутренние напряжения и создают физическую неоднородность.


Рис 1.7. Зависимость термо-э.д.с. от разности темпера-тур горячего и холодного спаев для термопар: 1 – хромель - копель; 2 – железо - копель; 3 – медь - копель; 4 – железо - константан; 5 – медь - константан; 6 – хромель - алюмель; 7 – платинородий – платина.
Наиболее высокой точностью, стабильностью и воспро-изводимостью обладают платинородиевые термопары, не-смотря на малую удельную термо-э.д.с. Эти качества объясня-ются химической инертностью материала и возможностью его получения с высокой степенью чистоты.
Термобиметаллы – металлические комбинированные материалы, состоящие из двух или нескольких слоев с различ-ными температурными коэффициентами линейного расшире-ния бℓ, прочно сваренных по всей поверхности соприкоснове-ния. Составляющая термобиметалла с высоким бℓ называется активной составляющей, с низким – пассивной. Эти материалы применяются для изготовления термокомпенсаторов, чувстви-тельных элементов термометров, терморегуляторов, термоэле-ментов тепловых и токовых реле, автоматов защиты электросе-ти. Термобиметаллы должны обладать высокой термочувстви-тельностью, т.е. способностью изгибаться при небольших из-менениях температуры, высокой предельной температурой на-грева и длительным сроком службы. В качестве активных со-ставляющих термобиметаллов применяются железоникелевые сплавы, имеющие в составе 12- 27 % Ni, легированные допол-нительно хромом, марганцем, молибденом или медью; сплавы на основе марганца, латуни. В качестве пассивных составляю-щих применяют чаще всего сплав Н- 36 (инвар), содержащий железо и, примерно, 36 % никеля и другие железоникелевые сплавы с содержанием 42- 50 % Ni.
Тензометрические сплавы применяют для датчиков деформации различных конструкций под действием механиче-ских напряжений. Действие таких датчиков основано на изме-нении сопротивления при деформации тензометрического эле-мента. Основным материалом для тензометрических датчиков, работающих при сравнительно невысоких температурах, яв-ляются уже описанный константан. Для высокотемпературных датчиков применяют сплавы системы Fe-Cr-Ni.

1.4.2.. Неметаллические резистивные материалы.
Кремниевые резистивные сплавы марок РС. Повы-шенным удельным сопротивлением обладают сплавы, в кото-рых образуются интерметаллические соединения. Среди этих сплавов хорошими свойствами обладают сплавы системы Si -Cr –Ni -Fe. Широкое распространение в качестве резистивных пленок получили сплавы марок РС 4800, РС 3710, РС 3001 и другие. В обозначении марок буквы и цифры обозначают: РС – резистивный сплав; две первые цифры – номинальное содер-жание основного легирующего компонента (Cr); две остальные цифры - номинальное содержание второго легирующего ком-понента. В зависимости от состава удельное сопротивление та-ких пленок составляет от 50 до 50000 Ом/□. Температурный коэффициент удельного сопротивления бс < 10 -4 К-1. Сплавы выпускаются в виде порошков с размером частиц около 40 мкм. Пленки наносятся на подложки различными методами: ионно-плазменным испарением, методом термического ваку-умного испарения и другими методами в высоком вакууме.
Металлосилицидные сплавы. В тонкопленочной тех-нологии применяют мнокогокомпонентные металлосилицид-ные сплавы типа МЛТ, состоящие из кремния, окиси кремния, железа, хрома, никеля и вольфрама (Si–SiO2-Fe-Cr-Ni-W). Пленки из таких сплавов при толщине 0,1 – 1 мкм позволя-ют получать сопротивление R□ до 35 кОм при бс = -2,5 10-4 - +4 10-4 К-1.
Полимер-углеродные композиции применяют для изго-товления постоянных и переменных объемных и пленочных резисторов. Из них можно получить резисторы сопротивлени-ем 5-106 Ом со значением бс= (-2 – +7)∙10-4 К-1.
Полупроводниковые резистивные сплавы. Благодаря высокому удельному сопротивлению полупроводники могут использоваться в качестве резистивных материалов. Однако для них характерна температурная нестабильность. Поэтому одно из применений полупроводниковых резисторов – датчики температуры в системах теплового контроля и регулирования. Рабочий диапазон таких терморезисторов доходит до 1000 оС. Для этих целей подходят широкозонные полупроводники, ча-ще всего оксидные, например SnО2. Помимо высокой химиче-ской стойкости они являются прозрачными для видимого све-та. Такие материалы можно использовать в качестве контакт-ных и резистивных слоев. Конечно, при изготовлении резисто-ров прозрачность редко требуется, но прозрачные контактные площадки являются необходимыми конструктивными элемен-тами для многих оптоэлектронных устройств (солнечных бата-рей, фотоприемников, светодиодов, жидкокристаллических индикаторов); полупроводниковые резистивные материалы применяют в качестве: проводящих покрытий внутри стеклян-ных баллонов электровакуумных приборов, электродов элек-тролюминесцентных конденсаторов, преобразователей и уси-лителей изображения и других устройств.
Поскольку прозрачностью обладают только материалы с шириной запрещенной зоны Еg > 2,5 эВ, то для прозрачных ре-зистивных элементов используют широкозонные полупровод-ники (SnO2, In2O3, Sb2O3).
Для получения резистивных пленок SnO2 пригодны все методы вакуумной технологии, однако наиболее широко ис-пользуется методы высокотемпературного гидролиза хлоридов олова. Пленки, полученные этими методами, имеют плотную мелкокристаллическую структуру, обладают хорошей адгезией к стеклянным и керамическим подложкам (прочность сцепле-ния достигает 20 МПа, что намного больше, чем у металличе-ских пленок). Они стойки к истиранию, воздействию влаги, химических реагентов (разрушаются лишь плавиковой кисло-той, кипящей щелочью и атомарным водородом). Удельное со-противление пленок зависит от степени нарушения стехиомет-рического состава и может составлять 10-5 Ом•м. Перечислен-ные свойства позволяют изготовлять на основе диоксида олова не только резистивные элементы оптоэлектронных устройств, дискретные резисторы, но и тонкопленочные резисторные элементы с низким уровнем шумов для гибридных интеграль-ных микросхем.
Весьма перспективны высоконагревостойкие проводни-ковые материалы - некоторые оксиды (прежде всего керамика окиси циркония ZrO2 c добавкой окиси иттрия Y2O3, керамика окиси церия CeO2, некоторые карбиды и хромиты). Некоторые свойства керамики ZrO2- Y2O3 ( при пористости 25 объемн.% ): плотность 2900 кг/м3, температурный коэффициент линейного расширения 13∙10-6 К-1; коэффициент теплопроводности при 1500 °С -1,45 Вт/мK.
Углеродистые материалы. К углеродистым материа-лам относятся природный графит, пиролитический углерод, сажа, антрацит.
Природный графит представляет собой одну из алло-тропных форм чистого углерода слоистой структуры с боль-шой анизотропией электрических и механических свойств. Природный графит это крупнокристаллический материал с очень высокой температурой плавления (порядка 4000 °С), од-нако он начинает испаряться в вакууме при 2200 °С. Окисле-ние графита на воздухе начинается при температурах 400-450 °С с образованием газообразных окислов СО и СО2. Природ-ные графиты добываются из специальных руд. Некоторые свойства графита приведены в табл. 1.3.
Пиролитический углерод получают путем пиролиза (термического разложения без доступа кислорода) газообраз-ных углеводородов (чаще всего гептана (С7Н16). По своим свойствам и структуре пиролитический углерод приближается к графиту, отличие заключается в отсутствии строгой перио-дичности в расположении слоев при сохранении их параллель-ности. Некоторые свойства пиролитического углерода пред-ставлены в табл. 1.3.
Сажа является мелкодисперсной разновидностью уг-лерода. Реакция получения сажи аналогична реакции получе-ния пиролитического углерода, но осаждение происходит при более низкой температуре (менее 900 °С), что обусловливает более мелкозернистую структуру (сажу называют также кол-лоидным углеродом). Будучи введенными в связующее веще-ство, сажи проявляют склонности к структурообразованию.
Производство большинства угольных изделий заключа-ется в измельчении углеродного сырья в порошок, смешении его со связующими веществами, формовании и обжиге, после которого изделия приобретают достаточную механическую прочность и твердость, допускают механическую обработку. В качестве сырья для производства электроугольных изделий ис-пользуют сажу, графит или антрацит.
Угольные порошки, используемые в микрофонах для создания сопротивления, изменяющегося от звукового давле-ния, получают из антрацита. Из всех углеродистых материалов изготовляют безындукционные непроволочные резисторы.

Таблица 1.3
Свойства графита и пиролитического углерода

Свойство Монокристалл гра-фита Поликри-сталличе-ский графит Пиролити-ческий уг-лерод
Вдоль плоско-стей Поперек плоско-стей
Плот-ность, кг/м3
2240
2240
2260
2070
бℓ .106, К-1 6,6 26 7,5 6,5-7
с∙108, Ом•м
30ч50
104
80
104-2∙104
бс∙104, К-1 +9 -400 -10 -2

Они отличаются от проволочных уменьшенными разме-рами и высоким верхним пределом номинального сопротивле-ния.
Недостатком углеродистых резисторов является их тех-нологическая несовместимость с ИС, ГИС, так как углерод не-возможно наносить методами вакуумного испарения из-за очень низкой упругости паров при нагреве до Т = 1500 оС. По-этому углеродистые резисторы в составе микроэлектронной аппаратуры не используются. Но они широко применяются в виде дискретных радиокомпонентов.
Из графита делают нагреватели, детали разрядных ламп, электроды дуговых печей. Графит широко используется в тех-нологии микроэлектроники для изготовления разного рода на-гревателей и экранов, держателей, лодочек, тиглей, кассет для установки полупроводниковых пластин. В вакууме или защит-ных средах изделия из графита могут эксплуатироваться при температурах до 2500 °С.
Все более широкое применение получают сравнительно новые виды углеграфитовых материалов: пирографит, ните-видный графит, стекло- и бороуглерод, углеситаллы, углегра-фитовые ткани.
Стеклоуглерод – полимерные органические смолы типа бакелита, наполненные углеродом, имеют блестящую поверх-ность, стеклоподобный вид и раковистый излом. Стеклоугле-род обладает повышенной химической стойкостью.
Углеситаллы представляют собой материалы, в которых имеются дисперсные включения, обеспечивающие высоки