cez "ctrl+f" hladaj :D

ZIM

Základy atómovej teórie:

● Rutherfordov model atómu: Príťažlivá elektrostatická sila medzi elektrónmi a jadrom je kompenzovaná odstredivou silou. Predstava je v rozpore s klasickými zákonmi elektrodinymiky. Atómy majú stále čiarové spektrá.

● Kvantová teória: Pri pozorovaní absolútne čierneho telesa prišiel Planck na to že energia nie je vyžarovaná a pohlcovaná spojite, ale po kvantách. Kvantum je celistvý násobok elementárneho kvanta: W = h.f. Planckova konštanta je h = 6,626.10^-34 Js. f je frekvencia žiarenia. Teória vysvetľuje Einsteinov fotoelektrický jav. Predpokladá, že svetlo je zložené z fotónov, ktoré sa pohybujú rýchlosťou svetla. Po dopadnutí na kov odovzdajú energiu elektrónom. Jeden fotón uvoľní jeden elektrón.

● Elektrónová teória: Vlastnosti atómov sú charakterizované Bohrovými postulátmi, Pauliho vylučovacím princípom, pravidlom maximálnej multiplicity a kvantovými číslami. Vlna a častica sú len 2 formy tej istej fyzikálnej reality. Častica, alebo kvantum svetla sa nazývajú fotóny. . Pohyb elektrónu je opísaný vlnovou funkciuo (de Broglieho vlnou) ψ. Vlnová funkcia je funkcia priestorových súradníc elektrónu a štvorec ψ² je pravdepodobnosť, že elektrón sa nachádza v danom priestore. Elektrón je elementárna častica, ktorá obieha okolo jadra po kvantových dráhach a má záporný náboj (1e^- = 1,602.10^-19).

● Bohrove postuláty:

1) Elektrón sa pohybuje po kruhovej dráhe určujúcej kvantovú podmienku: m.v.r = n.(h/2π);

2) Každá kvantová dráha predstavuje určitý stacionárny stav elektrónu v atóme, ktorý char. č. n. Jednotlivé stavy sa odlišujú obsahom energie

3)Vyžarovanie alebo pohlcovanie energie sa uskutočňuje len pri prechode medzi kvantovými dráhami. Prechod elektrónu medzi energetickými stavmi sa uskutočňuje po kvantách

● Kvantové čísla:

Hlavné kvantové číslo n: označuje elektróny jednej vrstvy. Označujeme ich K, L, M, N, O , P, Q (n = 1...7). Max. počet elektrónov na 1 vrstve je 2n²

Vedľajšie kvantové číslo l: charakterizuje elektróny líšiace sa energiou v rámci vrstvy – orbitály a tiež moment hybnosti elektrónu. Orbitály označujeme s, p, d, f, g, h. Každá vrstva má konšt. Počet orbitálov. Orbitál predstavuje objemový element priestoru, v ktorom sa pravdepodobne vyskytuje častica v danom momente. Orbitály s takmer rovnakou energiou tvoria vrstvy. (l = 0, 1 ... n-1)

Magnetické kvantové číslo m: určuje projekciu dráhového magnetického momentu do predpísaného smeru. Daný orbitál sa teda štiepi na (2.l + 1) skupín. Umiestnením atómu do silného magnetického poľa sa štiepia spektrálne čiary, pretože elektróny sa líšia obsahom energie. (m = -l,..-1,0,1,...l)

Spinové kvantové číslo s: rozlišuje kvantový smer rotácie elektrónu okolo svojej osi – spinu. (s = ±0,5)

● Pauliho vylučovací princíp: V atóme nemôžu existovať 2 elektróny s rovnakými kvantovými číslami. Maximálny počet elektrónov v orbitále je 2.(l+1) vo vrstve 2n².

● Hundovo pravidlo: Elektróny obsadzujú orbitály tak, aby pred ich spinovým párovaním bolo na orbitáloch daného typu čo najviac elektrónov s rôznym magnetickým číslom.

Kryštály:

● Poruchy kryštálovej mriežky:

Bodové poruchy: Vakancie (prázdne miesta): vplyvom vysokej teploty. Interstície (atómy v medziuzlovej ploche). Substitúcie (cudzí atóm na mieste základného). Súvisia s čistotou a chem. zložením materiálu. Vakancie a interstície zvyšujú elektrický odpor.

Čiarové poruchy: Dislokácie sú charakterizované geometr. a energetickými faktormi. Rozlišujeme dislokácie hranové a skrutkové. Pohyb dislokácii sklzom umožňuje plastickú deformáciu a pohyb šplhom umožňuje difúziu.

Plošné poruchy: Vrstevná chyba môže vzniknúť sklzom, vybratím 1 atómovej roviny a vložením 1 atómovej roviny. Iným typom je mozaika zŕn.

V iónovom kryštále:

Frenkelova porucha: Súčasný výskyt (+) iónu v intersticiálnej polohe a vakancie na mieste (+) iónu.

Schottkyho porucha: Súčasný výskyt vakancie na mieste (+) aj na mieste (-) iónu. Výskyt je v hustých mriežkach. Tieto porucha uľahčujú prenos častíc, čím podp. difúziu, el. a tep. vodivosť.

● Chemické väzby: Závisia od vonkajšieho el. obalu. El. sú usporiadané tak aby ich celková en. Bola čo najmenšia a stabilita čo najväčšia.

Iónová: Elektrostatická príťažlivá sila medzi kladne a záporne nabitými iónmi. Je typická pre izolanty.

Kovalentná: Je tvorená dvojicami el. spoločnými pre oba atómy. Je typická pre polovodiče. Môže byť polárna, alebo nepolárna.

Kovová: Je väzba medzi katiónmi a el. prvkov s malým počtom val. el., kt. sú slabo viazané k jadru. Podmienkou je tesné usporiadanie atómov v mriežke. Materiály majú dobrú tepelnú a el. vodivosť a nie sú priesvitné. Je typická pre kovy.

● Pásmová teória: Elektróny môžu svoju en. zväčšovať len v skokoch (nie spojite). Hladiny dovolených en. sú oddelené hladinami zakázaných energií. En. hladiny sa štiepia a vytvárajú en. pásma.

Vnútorné: Nemá vplyv na prenos náboja

Vonkajšie (valenčné): sústava en. hladín, kt. el. vytvárajú chem. väzby. V izolantoch a polovodičoch je to najvyššie zaplnené pásmo. Vo vodičoch je neúplne zaplnené splýva s vodivostným pásmom. Horná en. hladina valenčného p. je ozn. ako W_v.

Zakázané: Oblasť energií, kt el. nemôžu nadobudnúť. Je medzi val. a vodiv. pásmom. El. z val. pásma nemôže prejsť do vodivost. Ak namá vyššiu en. ako je širka zakázaného pásma. Táto šírka je materiálovo konštantná. Jeho šírka je označená ako ΔW_z.

Vodivostné: En. pásma v kt. sú el. uvoľnené z chem. väzieb. Je to čiastočne zaplnené pásmo vo vodičoch a vôbec nezaplnené u polovodičov a izolantov pri T=0K. Dolná hladina je ozn. ako W_c.

● Kvapalné kryštály: Kvapalné látky, ktoré sa v určitom intervale teplôtvyznačujú určitou usporiadanosťou → anizotropiou. V pevnej fáze sa zahrievaním premenia na mliečne zakalenú kvapalnú látku a ďalším zahrievaním sa kvapalina vyjasní → izotrópna kvapalina.Mezomorfná štruktúra je taká ktorá sa snaží si na rozhraní kvapalnej a tuhej látky udržať pravidelné usporiadanie.

Smektická štruktúra: jednotlivé molekuly sú zoradené tak, že majú rovnobežné osi a v rovinách, pravidelne. Ešte nenašla využitie.

Nematická štruktúra: molekuly majú rovnobežné osi. Má elektrooptické vlastnosti – zmenou el. poľa dosiahneme zmenu opt. vlastností. Našla široké uplatnenie. (Zvláštnym druhom nem. štr. Je cholesterická štruktúra – zmena tepla – rozptyl svetla – inej teplote odpovedá iná farba).

LCD (Liquid Crystal Dysplay): Vypĺňa ho kvap. kryštál. Pracuje na princípe zmeny natočenia kryštálov pri pôsobení elektrostat. poľa. Na budenie sa používa striedavé napätie. Pre farebný obraz sa aplikujú farebné filtre.

Vodiče:

● Fermi – Diracova štatistika: (Fermi – Diracova rozdeľovacia funkcia) hovorí o pravdepodobnosti obsadenia enrget. hladín elektrónmi. Až po fermiho hladinu pri absolútnej 0. Pri vyššej teplote, elektróny obsadzujú aj hladiny nad femiho hladinou. W_f je fermiho energia. V polovodičoch a izolantoch je W_f medzi valenčným a vodivostným pásmom. Leží v strede šírky zakázaného pásma. V kovoch predstavuje W_f max. energiu elektrónov pri teplote abs. 0.

● Termoelektrické vlast. kovov: Vodivým spojením 2 kovov vzniká el. potenciál. Dochádza k tunelovému priechodu el. a vyrovnaniu ich Fermiho hladín. Uzavretím okruhu a uvedením koncov na rozličné teploty potečie prúd v dôsl. termoel. napätia (vznikn. z kontaktového a objemového). Objemové vzniká difúziou voľných nosičov náboja z vyššej do nižšej konc. Termoel. jav sa využíva k meraniu teploty.

● Magnetické vlast. kovov: Sú dané výsledným magnetickým momentom atómov, zloženým z dráhových momentov (DM) a spinových momentov (SM).

Diamagnetické: DM a SM sú vykompenzované. Výsledný magn. Moment je 0. Vložením do magn. poľa sa dráha el.deformujú. Indukuje sa magn. moment oslabujúci vonk. magn. pole. Magnetická susceptibilita κ je záporná a veľmi malá (-10^-5).Patria sem inertné plyny, organické látky a H, Cu, Ag, Be, C, Si...

Paramagnetické: SM sú vykompenzované, moment je daný nevykompenzovanými DM el., kt. sú neusporiadané kým na ne nepôsobí vonk. magn. pole. Magn. momenty sa orientujú do jeho smeru a zosilňujú ho. Κ je vždy kladná (10^-5 – 10^-2), Relat. permeabilita μ_r>1. Patrí sem kyslík, niektoré ogidy, Al, Cu, Mg, W...

Feromagnetické: DM sú takmer vykompenzované, výsledný magn. moment je daný SM el. V určitých oblastiach vznikajú domény – látka je zmagnetizovaná do nasýtenia bez účinku vonk. magn. poľa. Po prekročení (Currieho) feromagn. Teploty sa látka stáva paramagnetikom. Ľahko sa zmagnetizuje aj v slabom magn. poli a magnetizácia ostáva zachovaná. κ aj μ_r sú vysoké (10⁶), silne závislé od teploty a intenzity magn. poľa. Patria sem Fe, Co, Ni a ich zliatiny.

Antiferomagnetické: S anti paralelne orientovanými SM. κ rádovo ako u paramagnetík. Pri currieho teplote dochádza k porušeniu antiparalelných spinov. Patria sem oxidy, sírniky, chloridy Mn, Cr, Fe, Co, Ni...

Ferimagnetické: sú zvláštnym prípadom antiferomagnetík. Momenty nie sú rovnaké a nekompenzujú sa – prejavujú rozdielový magnetický moment. Patria sem ferity.

● Faktory ovplyvňujúce vodivosť vodičov:

Pohyblivosť u: Súvisí s teplotou, tepelnými kmitmi a poruchami kryšt. Mriežky. Je def. ako rýchlosť elektrónov v vztiahnutá k intenzite el poľa E (u=v/E).

Teplota T: S rastom teploty rastie odpor materiálu. Nad Debeyovou teplotou – 100K rastie rezistivita lineárne s teplotou. Pomer el. a tepelnej vodivosti je podobný pre vš. kovy. Súvis el. a tep. vl. kovov je char. Wiedemann-Franzovým zákonom.

Rezistivita ρ: [ρ]=Ω.m. Udáva čís. Odpor napr vodiča dl. 1 m s prierezom 1 m² a pri teplote 20° C. Vodiče majú rez. Od 10^-2 do 10¹ μΩm. Teplotný súčiniteľ odporu α_R: udáva číselne o akú hodnotu sa zmení odpor vodiča 1Ω ak sa zvýši jeho teplota o 1°C. Môže myť kl. al. záp. Rezistivita klesá na 0 pri kritickej teplote - supravodiče

Tlak p: Pri väčšine kovov klesá rezistivita s rastúcim tlakom.

Prímesi: Rezistivita rastie s rastúcim obsahom nečistôt. Akákoľvek cudzia látka alebo porucha sťaží prechod el.prúdu → vyššia rezistivita. Zliatiny majú menšiu konduktivitu → s rastúcou čistotou, rastie konduktivita

Usporiadanosť: Rezistivita, rastie s rastúcou neusporiadanosťou. Rezistivita sa zníži žíhaním, poklesne neusporiadanosť mriežky.

Deformácia za studena: Do mriežky sa zavádzajú poruchy → zvyšuje sa vnútorné napatie aj rezistivita.

Neželezné kovy a ich zliatiny vo výrobe a v praxi:

● Meď: Je načervenalý kov, dobre tvárniteľný. Má vynikajúcu vodivosť. Tieto vlastnosti klesajú obsahom nečistôt. Je odolná voči korózii. Ľahko sa odplyňuje. Nehodí sa na stavovanie so sklami. Krehne vplyvom „vodíkovej nemoci“.

Používa sa ako vodič pre el. energiu vzdušným vedením, alebo ako vodivé jadro káblov. V porovnaní s hliníkom je dosť drahá a preto sa ním nahradzuje. Drôty sú chránené kaučukovou izoláciou a cínovým povlakom. Dobre sa spájkuje pri nízkych teplotách. Používa sa vo forme fólií pri výrobe plošných spojov. Vyrába sa valcovaním, alebo galvanickým vylučovaním na katóde.

Pre výrobu vodičov sa používa meď elektrovodná – ECu. Meď s potlačeným obsahom kyslíka – Cu – OFHC (Oxygen Free High Conductivity) – netrpí vodíkovou nemocou. Vysokočistá meď (99,999%) sa používa na výrobu (nosníkov) targetov, mikrodrôtov...

Zliatiny: mosadze, bronzy (CuSn), CuCo, CuFe...

● Hliník: Je biely, striebrolesklý mäkky kov. Na vzduchu sa pokrýva sivobielym povlakom. Má veľmi malú hustotu. Má malú mechanickú pevnosť – dá sa zvýšiť (mikro)legovaním. Pomerne dobre odoláva kyselinám a zásadám.

Využíval sa pri výrobe zbraní, neskôr v letectve. Jeho el. vodivosť je asi 65% medi. Je 3tím najl. vodičom za Ag a Cu. Využívajú sa aj dielektrické vlastn. oxidu. Vo forme povlakov sa používa ako reflektor žiarenia v obrazovkách.

Supravodiče:

Supravodivosť je pokles rezistivity niektorých kovov a zliatin pri teplote blízkej abs. 0.U niektorých materiálov poklesne rezist. Aj 16x oproti izbovej teplote. Tento jav bol objavený na ortuti a v súčasnosti existuje len 27 prvkov a asi 1500 zliatin u ktorých bol jav SV objavený. Zatial sa nepotvrdil u ušťachtilých ani alkalických prvkov.

Supravodivý jav je považovaný za samostatný jav materiálu s vyšším stupňom poriadku, ak sa entrópia rovná 0. Je to vratný stav.

SV stav nastane ak sú splnené 3 podmienky:

● Tepolota SV je nižšia ako kritická teplota T_k

● Intenzita magnetického poľa je nižšia ako kritická intenzita H_k

● Hustota prúdu je nižšia ako kritická hustota J_k

Použitie: na prenos el. energie pri 100% účinnosti, ako trecie ložiská, vo vysokomagn. Solenoidich, na zníženie Joulových strát v jadrách – prenos veľmi veľkých výkonov, súčiastky do veľmi rýchlych počítačov, v oblasti digitálnej techniky (Josephsonova tunelujúca štruktúra)...

Elektrické vlastnosti izolantov a dielektrík:

● Izolanty a dielektriká: Izolanty sú látky s veľkým odporom elektrického prúdu. Dielektriká majú schopnosť hromadiť el. energiu napr. v kondenzátoroch. Ich hlavným parametrom je relatívna permitivita. Využívajú sa na izoláciu vodivých telies. Je zložená z nábojov vzájomne viazaných elektrostat. silami. Neobsahuje žiadne alebo veľmi málo voľne pohyblivých el. nábojov. Vodivosť izolantov je σ<10^-8 Sm^-1. Zakázané pásmo je široké až 3eV a viac. Izolant sa char. ● Relatívnou premitivitou ε_r ● elektrickou vodivosťou σ (vnútorná σ_v a povrchová _σ) ● dielektrickými stratami tgδ ● elektrickou pevnosťou E_p. Každý izolant je aj dielektrikom, nie každé dielektrikum je aj izolantom. Izolanty sa charakterizujú aj triedou tepelnej odolnosti, ktorá klas. Izolant z hľadiska max. teploty pri ktorej vykazuje optimálnu životnosť. Existuje 7 teplotných tried (Y, A, E, B, F, H, C);

● Polarizácia dielektrika: Je proces, pri ktorom dochádza k narušeniu symetrie el. nábojov. Následkom toho sa vytvárajú el. dipóly a každý má svoj dipólový moment. Dochádza k vysúvaniu el. nábojov z rovnovážnych polôh. Dipólové molekuly sa orientujú v smere poľa. Polarizovateľnoť je základná vlastnosť dielektrík. Polarizácia z makroskop. hľadiska: pozeráme sa na ňu ako na pomer dipólového momentu a objemu izolantu.. Tento pomer vzniká ako výsledok exist. obrovského počtu dipól. Momentov. Polarizácia z mikroskop. hľadiska: Pozeráme sa na ňu ako na pružné posunutie viazaného náboja v smere (-) alebo proti smeru (+) el. poľa. Druhy polarizácie dielektrík:

Pružná elektrónová a iónová: rýchly priebeh, veľmi krátka doba trvania (10^-12 – 10^-15 s), bez strát energie. Spočíva v posuve kladných a záporných nábojov opačnými smermi.

Relaxačná dipólová a iónová: pomalý priebeh, chaotické tepelné pohyby častíc sú usmernené, vzniká nesymetrické rozloženie nábojov, vzrast dipólového momentu. Relaxačný čas τ (10^-2 – 10^-10 s) – interval za ktorý po odpojení el. poľa polarizácia klesne na 37%.

Medzivrstvová (migračná): vznik indukovaného dipólového momentu na makroskopické vzdialenosti v dôsledku rôznej pohyblivosti voľných nábojov. Je typická pre nehomogénne dielektriká (viacvrstvové izolanty) a má nelineárny char. Doba ustálenia je 10^-3 – 10^-7 s.

Spontánna (samovoľná): orientácia spontánne vytvorených el. momentov do smeru intenzity vonk. poľa. Je typická pre feroelektriká. Závisí od frekvencie, nad Currieho teplotou zaniká.

Rezonančná: súvisí s vlastnou frekvenciou kmitania elektrónov. Môže byť elektrónová al. iónová. Vyskytuje sa pri viditeľnom svetle a je dôležitá pre spektrálnu analýzu.

● Relatívna permitivita: Charakterizuje vplyv elektrického poľa na elektrický stav dielektrika. Patrí k najdôležitejším charakteristikám. Je merítkom polarizácie. Je to bezrozmerná veličina. Závisí od: - charakteru polarizačných procesov, - teploty, - frekvencie. V niektorých prípadoch je evidentný aj vplyv el. poľa.

● Závislosti permitivity:

Permitivita plynných izolantov: U plynov sú vzdialenosti molekúl veľmi veľké a ich vzájomné pôsobenie môžeme zanedbať. ε_r je väčšie alebo približne rovné 1. Polarizácia môže byť len elektrónová a dipólová. ε_r je tým väčšia, čím väčší je polomer molekuly.

Permitivita kvapalných izolantov:

U nepolárnych kvapalných izolantov sa ε_r pohybuje od 1,8 do 2 (2,5). ε_r nezávisí od frekvencie. Polarizovateľnosť molekúl je tepl. nezávislá. Platí tu Clausius – Mossottiho rovnica – v dôsledku tepl.rozťažnostisa mení v jednotke objemu počet dipólových momentov. (s. 63; obr. 5.4, 5.5)

Dipólové kvapalné izolanty majú elektrónovú a dipólovú polar. Ich ε_r je tým väčšia, čím rýchlejšie sa molekuly pohybujú. Pri veľmi nízkych teplotách sa molekuly nemôžu otáčať. So stúpajúcou teplotou sa podmienky zlepšujú. Permitivita je závislá aj od frekvencie. (s. 63; obr. 5.6, 5.7)

Permitivita tuhých izolantov:

U nepolárnych tuhých látok sa pohybuje ε_r od 2 do 2,2. Vyskytuje sa iba elektrónová polarizácia. Závislosti na teplote a frekvencii sú rovnaké ako v nepol. kvapal. izolantoch. Môže sa uplatniť aj migračná.

V dipólových tuhých izolantoch sa vyskytuje elektrónová a dipólová polarizácia. Závislosť permitivity je rovnaká ako u kvapalných dipólových izolantoch. Môže sa pridružiť aj migračná polar.

V iónových kryštalických látkach sa vyskytuje elektrónová a iónová pružná polarizácia. Pružné ióny sledujú frekvenciu až do 10¹² Hz. Pri technickej frekvencii je nezávislá. Permitivita je závislá aj od teploty. (s. 64; obr. 5.8, 5.9)

V iónových sklovitých látkach sa vyskytuje elektrónová, iónová relaxačná a pružná polarizácia. Teplotná a frekvenčná závislosť je rovnaká ako u kvapalných dipólových izolantov.

Vo feroelektrikách sa vyskytuje elektrónová, iónová pružná a spontánna polarizácia. Závislosť polarizácie od int. el. poľa je nelineárna. Pohybuje sa po hysteréznej slučke. Frekvenčná závislosť je ako pri kvapalných dipólových izolantoch. Teplotná závislosť je permitivita so vzrastom teploty hyperbolicky klesá → Curieho teplota. (s. 65; obr. 5.10, 5.11; s. 66; obr. 5.13, 5.14)

U slabo polárnych tuhých látok sa ε_r pohybuje od 2,2 do 3 a u polárnych od 3 do niekoľko 100 alebo 1000.

● Dielektrické straty: Po vložení dielektrika do el. poľa sa určitá časť energie premieňa na teplo. S výnimkou el. ohrevu sú tieto straty nežiaduce. V jednosmernom poli su dielektr. straty spôs. vodivosťou mat. Diel. Straty môžeme rozdeliť na: - vodivostné, - polarizačné, – ionizačné. Celkové straty sú súčtom vš. 3 strát. Vyskytujú sa vo vš. izolantoch. Stratový uhol δ je doplnok k 90° k uhlu fáz. posunu φ, ktorým prúd predbieha napätie. Stratové číslo (bezrozmerné): ε_rtgδ – char. kvalitu izolantu. Činiteľ dielektrických strát tgδ je bezrozmerná veličina.

V plynných izolantoch: sú zapríčinené ich el. vodivosťou. Vodivostná zložka strát nie je rozhodujúca. Vodivosť plynov je frekvenčne nezávislá a tgδ s rastúcou frekvenciou hyperbolicky klesá. Teplotná závislosť závisí od vodivosti a ε_r. (s. 69; obr. 5.16)

V kvapalných izolantoch:

V nepolárnych kvapalných izolantoch sa vyskytuje iba elektrónová polarizácia a v oblasti elektrotechn. frekvencií je bezstratová. Vyskytujú sa tu iba vodivostné dielektr. straty. Elektrická vodivosť izolantov s teplotou exponenciálne rastiem rastie aj tgδ exponenciálne s teplotou. So vzrastom frekvencie tgδ klesá. (s. 69; obr. 5.17, 5.18)

V dipólových kvapalných izolantoch okrem elektrónovej, sa môže uplatniť aj dipólová polarizácia. Vyskytujú sa vodivostné aj polarizačné straty. Závislosť tgδ je rovnaký ako u nepolárnych kvap. izolantov. (s. 70; obr. 5.19, 5.20, 5.21)

V tuhých izolantoch: môžu sa uplatňovať vodivostné (vo všetkých), polarizačné (v ktorých sa vyskyt. Stratové polarizácie) a ionizačné (v ktorých sú vzduchové bublinky) dielektrické straty.

V nepolárnych tuhých izolantoch sa vyskytuje iba elektrónová polarizácia a uplatňujú sa iba vodivostné diel. straty. Závislosť tgδ je rovnaká ako unepolárnych kvap. izolantoch.

V dipólových tuhých izolantoch sa uplatň. el. a dipól. polarizácia. Závislosť je rovnaká ako u nepolárnych tuhých izolantov, ale sú o niečo menej výrazné.

V iónových kryštalických izolantoch sa uplatňuje el. a iónová pružná polarizácia. V oblasti elektro. frekvencií sú bezstratové. Závislosti tgδ od teploty a frekvencie sú rovnaké ako u nepolárnych tuhých izolantov.

V iónových sklovitých látkach sa vyskytuje el. a iónová relaxačná polarizácia. Existujú v nich vodivostné a polarizačné dielektrické straty. Závislosť tgδ od frekvencie je rovnaká ako u dipólových tuhých izolantov. V závislosť od teploty sa nepozoruje maximum, pretože tgδ exponenciálne rastie s teplotou.

Feroelektriká sa vyznačujú elektrónovou, iónovou pružnou a spontánnou polarizáciou. Spontánna polar. je spojená so značnými dielektr. stratami. Vyskytujú sa tu vodivostné aj polarizačné straty. Vodovostná zložka je podobná ako u nepolárnych tuhých izolantov. Polarizačná zložka tgδ teplotnej a frekvenčnej závislosti jasne vyjadruje svoje maximá. Nad Curieho teplotou sa vo feroelektrikách vyskyt. Iba vodivostné dielektr. straty, lebo spontánna polar. zaniká.

● Elektrická pevnosť izolantov: Existujú 2 štádia prierazu:

1. štádium prierazu: náhly vzrast vodivosti izolantu → koncentrácia nosičov nábojov → sôs. El. poľom. Ide o prieraz:

Čiste elektrický: procesy elektrónovej povahy (náraz. ioniz., tunel. elektr.)

Elektrotepelný: procesy tepelnej povahy

2. štádium prierazu: degradačné účinky (dočasné u plynov, kvapalín, trvalé u tuhých izolantov)

Prieraz: úplný výboj tuhého izolantu, pokles napätia a nevratne zhoršené vlastnosti. Blesk je čisto el. prierazom. Tepelný prieraz nastáva ak dôjde k tepelnoelektrickej nerovnováhe.

Preskok: je úplný výboj v plynnom, ale kvapalnom prostredí → pokles napätia na elektródach

Koróna: čiastkové výboje v miestach najsilnejšieho el. poľa.

Iskra: krátkodobý výboj, v plynoch

Sršanie: čiastkové výboje v tvare trsov → slabý praskot

Plyny:

● Elektronegatívne plyny: Majú vo svojich molekulách F al. Cl a vyznačujú sa veľkou el. pevnosťou, nehorľavosťou a chem. stálosťou. Používajú sa najmä v stlačenom stave. Ich molekuly majú schopnosť zachytávať voľné el. Najviac používaným plynom je Elgaz – SF₆. Je 5x ťažší ako vzduch, nehorľavý do 200°C. Používa sa ako izolačné a chladiace médium v suchých transformátoroch.

● Inertné plyny: Patria sem He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. Sú to nereaktívne plyny, kt. sa vyrábajú frakčnou destiláciou skvapalneného vzduchu. Hélium zo zemského plynu. Sú bezfarebné, bez chuti a bez zápachu. Tvoria 1-atómové molekuly. Ich vlastnosti sa plynulo menia od He až po Xe. Rastie ich hustota, bod varu, klesá merná tep. kapacita. Xe a Kr sa používajú len málo, pre ich vysokú cenu. Použ. pri výrobe svetelných zdrojov.

Argón: Je najviac používaným vzácnym plynom. Vo vzduchu sa ho vyskytuje menej ako 1%. Teplota varu je -185°C. Je nekorozívny, nehorľavý, netoxický. Je ľahko skavapalniťeľný. Používa sa pri výrobe monokryštálov (Czochralského metóda). Pri (oblúkovom) zváraní, spájkovaní...

Hélium: Je druhým najľahším prvkom. Bod varu je -268,9°C. Hélium je jediným prvkom, kt. je kvapalný aj pri abs. 0. Vo vzduchu sa vyskytuje v mn. 0,005%. Získava sa najmä z ropy a zem. plynu. Plnia sa ním balóny, používa sa v letectve, v zmesi s kyslíkom ako plyn pre potápačov, v supravodičových magnetoch...

Polovodiče:

Tvoria článok medzi el. vodivými a el. nevodivými látkami. Zahrňujeme tu vysokočisté prvky a zliatiny s polovodivými vlastnosťami. Majú zaručenú šírku zakázaného pásma.

● Vlastný polovodič: Nazýva sa intrizický. Neobsahuje žiadne poruchy v kryšt. mriežke. Ideálny monokryštál ma kovalentné väzby a diamantovú štruktúru. Pri vyššej teplote sa elektróny uvoľnia → el. preskočil z valenčného do vodivostného pásma. Je pravdepodobné že na voľné miesto preskočí iný elektrón. Prázdne miesto sa javí ako kladne nabité, ale kryštál ako celok je el. neutrálny. Pohyb el. možno nahradiť pohybom fiktívnej kladne nabitej častice, označovanej ako diera. Diery sú voľné miesta vo valenčnom pásme. Diera slúži pre opis vodivosti v polovodiči. Pohybom dier vzniká dierový prúd. V praxi majú vlastné polovodiče len obmedzené použitie. Sú to východiskové materiály pre výrobu prímesových polovodičov. Generácia (proces vzniku) voľných nosičov je tepelný proces. Rekombinácia (zánik) je sprevádzaná vyžiarením kvanta energie.

● Prímesový polovodič: Vlastné polovodiče sa najprv maximálne vyčistia, aby sa mohli zámerne znečistiť. Prímesami možno regulovať veľkosť rezistivity a charakter el. vodivosti polovodičov. Prímesi predstavujú poruchy kryštálovej mriežky a môžu byť el. pasívne alebo aktívne.

Polovodiče typu N: Ak má prímesový prvok o jeden val. el. viac v polovodiči prevažuje elektrónová vodivosť. Prímesové atómy sú donormi (P, As, Pb v Si). Donory sú prvky s jedným mocenstvom vyšším ako mocenstvo základného polovodiča. Elektrón na viac nie je voľný ale na väzbe sa nezúčastňuje. Priťahuje ho kladné jadro atómu. Ale stačí dodať malú energiu a elektrón sa odtrhne a začne sa voľne pohybovať. Elektróny sú majoritné nosiče náboja. Diery sú minoritnými.

Polovodiče typu P: Ak má prímesový prvok o jeden vodivostný elektrón menej, prímesové atómy sú akceptormi a prevažuje dierová vodivosť (B, Al, Ga, In v Si). Keďže atómy sú napr. 3mocné, chýba im 1 el. na vytvorenie 4-tej kovalentnej väzby. Toto miesto sa javí ako kladne nabite, celkový kryštál, je však el. neutrálny. El. z vedľajšej väzby môže preskočiť na toto miesto a diera sa tak posunie. Energia preskakujúceho el. je o niečo vyššia, ako by bola energia riadneho el. kt. by bol na tomto mieste. Aby el. mohol preskočiť musíme mu dodať potrebnú energiu.Diery sú majoritné nosiče náboja, el. sú minoritné.

● Fickove zákony: (Difúzia voľných nosičov náboja) Difúzia je proces pri kt. nejaké častice prenikajú samovoľne do iného prostredia je to spôsobené nerovnováhou (termálnou al. koncentračnou). V polovodičoch je difúzia ponímaná ako vyskokoteplotný spôsob dotovania polovodičových vrstiev, kt. využíva termický pohyb difundujúcich častíc. K difúzii dochádza pri nerovnomernom znečistení vzorky, zahriatim jednej časti, dotykom s inými látkami a pod. Riadi sa Fickovými zákonmi. Difúzia vyvoláva tzv. difúzny prúd. Mechanizmy difúzie – výmenný, intersticiálny, vakačný, intersticiálne-substitučný. Príčiny difúzie sú: - nerovnomerné rozdelenie náboja (tok z vyššou konc. do nižšej konc.), vznik gradientu konc. a difúzneho prúdu. – nerovnomerné rozloženie teploty, gradient teploty.

1. Fickov zákon: Hovorí, že hustota difundujúcich častíc ja úmerná koncentračnému gradientu dn/dx a tok častíc smeruje do miesta menšej koncentácie

2. Fickov zákon: Určuje rozloženie nadifundovaných častíc, to zn. koncentračný alebo difúzny profil. Definuje aj časovú zmenu koncentrácie v objemovom elemente o hrúbke dx.

Difúzia sa využíva v oblasti elektrotechn. technológií a najmä k dotácii pre vytváranie vrstiev. Difúzia sa využíva aj pri výrobe tranzistorov a diód – zlato difunduje do povrchu. Zlato má veľký difúzny koeficient.

Pôvodne neutrálny polovodič sa nabíja, pretože difundujúce častice zanechávajú náboj opačného znamienka. Difúzny prúd je vždy sprevádzaný ohmickým (driftovým) prúdom. Rovnovážny stav nastane, keď sa difúzna prúdová hustota vyrovná ohmickej. Pôsobením el. poľa s int. E nastane nerovnovážny stav.

● Schottkyho kontakt: (kontakt kov - polovodič) je známy v el. ako jav zapríčinený nerovnakou vnútornou energiou voľných elektrónov v okolí styku 2 rôznych materiálov. Úniku el. z kovu zabraňuje fitívna 2-vrstva na jeho povrchu. Ohyb en. hladín závidí od výstupných prác el – dochádza k vyrovnaniu Fermiho hladín. O tom či sa na prechode vytvorí usmeräujúci, alebo ohmický kontakt, rozhoduje výst. práca el. – en. potrebná na prechod z Fermiho do hladiny s 0 en.

Ak je v bezkontaktnom stave výstupná práca el. z kovu > ako výst. práca el. z polovodiča, prechod kovu s N polovodičom bude mať usmerňujúce účinky. Prechod kov – P polovodič – ohmické účinky. A naopak.

V prípade prechodu s usmerň. vlast. prechádzajú náboje z polovodiča do kovu a vytvorí sa Schottkyho 2-vrstva. Ohyb en. pásov u polovodiča.

V prípade ohmického kontaktu – vodivostné pásmo N zasahuje pod fermiho hladinu a val. pásmo P nad fermiho hladinu (napr. Au-Ge).

● PN priechod: za PN priechod (PNp) sa považuje: - priestorová zmena polovodiča, - oblasť polovodiča, v kt. sa mení el. vodivosť P na N, - rozhranie deliace dierovú a el. vodivosť v tom istom polovodiči.

V stave bez priloženého napätia: kvôli rozdielnym koncentráciám nastáva difúzia. (el. z N do P a diery z P do N). V dôsl. Difúzie vznikne el. pole a ohmický (aj difúzny) prúd. V okolí PN priechodu vznikne hradlová vrstva (ochudobnená o voľné nosiče náboja) Táto vrstva je príčina jednosmernej priepustnosti PN priechodu, má najväčší odpor a jej hrúbka sa dá regulovať napätím

Záverný smer: Diery z polovodiča N smerujú do P a el. z P do N. Hradlová vrstva sa zväčšuje. Až kým vznikne nasýtený prúd. Majoritné častice sú vytláčané zo stredu PNp na okraj a vzniká veľký odpor. Minoritné častice zapríčiňujú malý záverný prúd (rádovo v μA).

Priepustný smer: PNp je zapojený opačne. Pri určitej veľkosti napätia hradlová vrstva zanikne. PNp začnú prechádzať majoritné nosiče prúdu.

Kapacita PNp: Je podmienená pôsobením nábojovej dvojvrstvy, ktorá zasahuje do hĺbky w. Kapacitu PN priechodu určíme ak poznáme koncentráciu akceptorov, koncentráciu donorov a plochu PNp S.V závernom smere je vodivosť malá a kapacita výrazná. Kapacitu PNp využívajú varikapy.

Prieraz PN priechodu: Pri závernom smere dosiahne nasýtený stav a prestane závisieť na napätí. Záverné nap. dosiahne kritickú hodnotu a dochádza k rýchlemu vzrastu prúdu, rozvíja sa prieraz PNp.

Lavínový: Typický pre vysokoohmový PNp. Minoritné nosiče ioniujú atómy v mriežke. Rastie koncentrácia nosičov → nárazová ionizácia. Takto pracujú Zenerové diódy (v závernom smere) na stabilizáciu napätia. Hradlová vrstva musí byť dostatočne hrubá.

Tunelový: Nastáva pri veľmi vysokých intenzitách (až 10⁵ Vcm^-1). Jav sa nazýva Zenerov. Využíva sa v zenerových diódach, kt. majú veľmi tenkú hradlovú vrstvu. Pri malom napätí dosiahneme silné el. pole. prieraz sa uskut. tunelovaním el. cez hradl. vrstvu.

Tepelný: Je podmienený vznikom tepla pri prechode prúdu. Ak odvod tepla nie je dostatočný, dochádza k exponenciálnemu nárastu el. vodivosti a ďalšiemu nárastu tepla. Dochádza k prierazu v závernom smere. Prejaví sa vzrastom prúdu a poklesom napätia. Nie je to bežný jav pri záver. prúdoch.

● Príprava polovodičov:

Czochralského metóda prípravy monokryštálov: Zárodok monokryštálu upevnený na ťahacom hriadeli je priložený k tavenine v kremennom tégliku v grafitovom ohrievači pomaly vyťahovaný a rotovaný proti smeru otáčania taveniny. Prebieha to v inertnej atmosfére, alebo vo vákuu. Koncentrácia prímesí sa mení pozdĺž ťahaného kryštálu, lebo objem kvapaliny sa zmenšuje. Výsledný monokryštál je v tvare valca.

Epitaxia: Je narastanie monokryštalickej polovodičovej vrstvy na podložke. Výhodou je plynulo meniťeľná koncentrácia prímesí (a vytváranie PN priechodov). Homoepitaxiou deponujeme vrstvy rovnakého zloženia. Heteroepitaxiou rozdielneho zloženia. Dnes sa vo veľkej miere využívajú polovodiče vo forme vrstiev.Poznáme rôzne druhy epitaxií: Z plynnej fázy, z kvapalnej fázy, molekulárna epitaxia a grafoepitaxia.

● Príprava PN priechodu:

Zliatinová (legovacia): Presne odvážená pilulka dotovacieho materiálu sa položí na polovodičovú platničku, kde chceme PNp. Pri vyššej teplote sa zliatina roztopí a vrstva polovodiča sa rozpustí v zliatine – nastáva difúzia. Nasleduje chladnutie a vrstva opäť kryštalizuje. Na stanovenie hĺbky PNp je nutné poznať rozpustnosť polovodiča v inej látke.

Difúzna: Difúzia v pevnej fáze sa požíva najmä pri Si. Je tu potreba energetickej dotácie. Povrch substrátu vystavíme vysokej koncentrácii dopačných atómov v akomkoľvek skupenstve pri vysokej teplote. Preferovanou technikou je difúzia v otvorenej komore. Na substrát prúdi dopantný plyn. V evakuovanej komore sa pre prímesi As a Sb použiva substrát obrekaný inertným a dopačným plynom.

„Mesa“: Vznikla kombináciou difúznej a zliatinovej metódy, vývoj však vyústil do epitaxnej technológie. Takto vyrobené tranzistory majú podobu stolíka. Umožnika hromadnú výrobu tranzistorov.

Planárna: Typické je umiestnenie všetkých vývodov v jednej rovine. V Si doštičketypu N sa vytvorí vrstva izolačného laku, na ktorú sa nanesie fotorezist a priloží sa fotomaska. Vplyvom svetla sa fotorezist polamerizuje. Zamaskované časti ostávajú nespolymerizované. Nasleduje odleptanie nelakovanej vrstvy až po povrch Si. Do odkrytého polovodiča sa nechá nadifundovať P prímes. Celý proces sa opakuje. Nakoniec sa vyleptajú miesta pre kontakty emitora a bázy. Planárna a epitaxná technológia predstavuje základnú metódu pre sériovú výrobu el. súčiastok.

Iónová implantácia: Prímesové atómy sa do materiálu dostávajú formou prúdu iónov v vysokou energiou (MeV). Hĺbka vniknutia je 1 – 4 μm. Vylepšenie riadenia a presnosti. Lúč získavá potrebnú energiu aby prenikol do substrátu a zabudoval sa do mriežky. Nevyžaduje vysoké teploty. Nevýhodou je deštrukcia mriežky. Pre túto technológiu sa používajú vysoko jedovaté plyny (ako PF₃).

Hrubé vrstvy:

Za HV sa považujú vodivé, rezistorové a dielektrické vrstvy, kt. sú v podobe pást deponované na (keramický) substrát. Tvoria pasívnu časť el. obvodu. Hrúbka je 10 – 30 μm. Ako celok so zabudovanými súčiastkami tvorí hybridný integr. obvod – HIO.

● Sieťotlačová technológia: Pretláčanie sieťotlačovaj pasty na substrát cez voľné otvory obrazca. Faktory: - použité šablóny, sieťky, - materiál sieťoviny, - rýchlosť, tlak a smer stierky, - materiál pasty, viskozita, čistota a povrch substrátu.

Kvalita sieťoviny je principiálna charakteristika

Parametre sieťoviny: sieťovina sa vyrába napínaním vlákien polyesteru, nylonu alebo nerezu. Typ a parametre sieťoviny sa volia od: - pretláčaný materiál, - presnosť a ostrosť obrazca, - hrúbky sieťotlače, - veľkosti častíc pasty, - povrchu podložky.

Hrúbka pasty závisí od maskovacej emulzie, viskozity pasty, povrchu substrátu a techn. par. sieťoviny.: - počet vlákien na lin. dĺžke, - priemer vlákien, - parameter oka, - hrúbka sieťoviny, - napätie sieťoviny, - spôsob tkania sieťoviny

● Materiály, vlastnosti, spracovanie: Pasty delíme na cementové, polymérne a špeciálne a z pohľadu el. vlastností ich delíme na: - vodivé, - rezistorové, - dielektrické.

Pasty pozostávajú zo 4 zákl. zložiek: - funkčného materiálu (prášk. častice kovov, oxidov...), - rozpúšťadla al. riedidla, - permanentného spojiva (adhezivo voči substrátu), - dočasné spojivo (drží zložky pohromade odstraňuje sa oxidáciou pri výpale)

HV dielektrické materiály sa používajú pre: - kondenzátory, - premostenia, - glazúru, - puzdrenie

Sušenie: Prebieha pri teplotách 100 - 150°C. Po tomto je možné naniesť ďalšiu vrstvu, alebo vypáliť.

Výpal: Odstraňuje organické materiály z pasty. Zabezpečiť elektrické vlastnosti a adhéziu k substrátu. Trvá 1 hod s max. teplotou 850°C.

Trimovanie odporov: Tolerancia vypálených odporov je ± 20%, potrebných parametrov. Najčastejšie sa trimuje pieskovaním al. laserom.

● Keramické substráty: Najdôležitejšie sú nasledujúce parametre: - relatívna permitivita, - el. pevnosť, - stratový činiteľ, - merná tep. vodivosť, - koeficient teplotnej rozťažnosti, - vnútorný odpor.

Vlnový charakter elektrónu

L. de Broglie (1924) dospel spojením Einsteinovej a Planckovej rovnice k záveru, že podobne ako svetlo, aj pohybujúci sa elektrón má vlnový a časticový charakter a odvodil vzťah:

z toho upravením 1. Bohrovho postulátu dostávame vzťah:

z ktorého vyplýva, že elektrón sa môže pohybovať len po dráhach zodpovedajúcich celistvému násobku n vlnovej dĺžky l pohybujúceho sa elektrónu.

Vnútorná stavba kovov

Klasická elektrónová teória kovov popisuje ich elektrickú vodivosť na základe existencie voľne pohyblivých elektrónov, pohybujúcich sa chaoticky bez pôsobenia vonkajšieho elektrického poľa a usmernene pri jeho pôsobení, čím vzniká elektrický prúd. Pri zrážkach elektrónov s iónmi mriežky odovzdávajú časť získanej energie, čím sa zvyšujú tepelné kmity. Pohyb elektrónov môže byť brzdený aj mriežkovými poruchami. Pri teplote absolútnej nuly sa môžu elektróny najľahšie pohybovať, pretože neexistujú tepelné kmity iónov mriežky, teda stredná voľná dráha elektrónov je maximálna a elektrický odpor minimálny. Klasická teória však uvažovala s nulovou energiou elektrónov pri nulovej teplote.

Kvantová teória tieto rozpory objasňuje. Uvažuje voľný elektrón ľubovoľnej pohybovej energie, riadiaci sa zákonmi vlnovej mechaniky. Jeho energia odpovedá určitej kvantovej dráhe, je teda kvantovaná - nemôže prijímať alebo vydávať energiu spojite, ale po kvantách. Energia elektrónu, ktorý prešiel z jedného kvantového pásma s energiou W1 do pásma s energiou W2 je daná Einsteinovým vzťahom:

Energia najvyššej hladiny, obsadenej pri teplote absolútnej nuly sa nazýva Fermiho energia Wf. Aby elektrón mohol vystúpiť z kovu do vákua, potrebuje energiu značne väčšiu ako je Wf, výstupnú prácu. Pravdepodobnosť obsadzovania energetických hladín možno vypočítať pomocou Fermi - Diracovej rozdeľovacej funkcie. Všetky energetické hladiny s energiou W < Wf (Fermiho energia) sú obsadené elektrónmi a hladiny s energiou W > Wf sú prázdne. Fermiho energia Wf je teda najvyššou energiou, ktorú môže elektrón v kove pri teplote absolútnej nuly nadobudnúť. Pri nenulovej teplote dochádza k tepelnej excitácií elektrónov. Časť energetických hladín pod hodnotou Wf nie je celkom obsadená, lebo elektróny preskakujú na vyššie energetické hladiny. Pravdepodobnosť obsadenia hladiny W2 je rovná pravdepodobnosti neobsadenia hladiny W1.

Fermi - Diracova štatistika (FDš), resp. Fermi – Diracova rozdeľovacia funkcia charakterizuje štatistické rozdelenie častíc s neceločíselným spinom v jednotlivých pásmach:

Obr. 2.2 Fermi – Diracova funkcia, ktorá udáva pravdepodobnosť obsadenia energetických hladín pri rôznych teplotách

FDš f(W) hovorí o pravdepodobnosti obsadenia energetických hladín elektrónmi, pričom sa vychádza základného stavu kvantovo-mechanického systému. Tento stav je určený obsadením všetkých energetických stavov až po Fermiho energiu pri teplote absolútnej nuly. Pri nenulovej teplote sú obsadené aj energetické stavy nad Fermiho hladinou (t.j. systém je vo vzbudenom stave). Ak W = Wf bude pravdepodobnosť obsadenia 0,5 a to korešponduje s Fermiho energiou, s najvyššie obsadenou energetickou hladinou elektrónov v základnom stave pri teplote T = 0 K.

WF je Fermiho energia je hodnota energie, po ktorú sa obsadia stavy sústavy fermiónov pri teplote absolútnej nuly, vychádza z FDš (fermión - častica s polčíselným spinom, podriaďujúca sa FDš, napr. elektróny, protóny, neutróny).

V polovodičoch a izolantoch sa WF nachádza medzi valenčným a vodivostným pásmom, pričom jej poloha závisí od pomeru koncentrácie voľných elektrónov ku koncentrácii voľných dier. Pri ich rovnosti leží WF uprostred šírky zakázaného pásma. WF leží pri teplote absolútnej nuly, v polovodiči n medzi dolným okrajom vodivostného pásma a donorovou hladinou, resp. u polovodičov typu p medzi hornou hranicou valenčného pásma a akceptorovou hladinou.

V kovoch predstavuje Fermiho energia WF maximálnu energiu elektrónov pri teplote absolútnej nuly.

Fyzikálna podstata vodičov

Fyzikálna podstata vodivosti kovov vychádza z pásmovej štruktúry tuhej látky. Pásmová štruktúra tuhej látky poukazuje u vodičov na existenciu 2 možností: neúplne obsadené valenčné pásmo u alkalických kovov alebo prekrývanie vodivostného a valenčného pásma u dvojmocných kovov.

Na elektrickej vodivosti sa u kovov podieľajú vodivostné elektróny. Z tab. 2. 1 vyplýva, že Cu, Ag, Au majú iba 1 valenčný elektrón, Cd, Zn majú 2, Al má 3 valenčné elektróny. Počet valenčných elektrónov nie je určujúcim faktorom pre hodnotu merného elektrického odporu. Táto hodnota súvisí s mechanizmom elektrickej vodivosti.

Kryogénne médiá

Ako kryogénne média sa v elektronike používajú kvapalný dusík (bod varu -196°C), argón (bod varu -186°C) a kvapalné hélium (bod varu – 269°C) a kvapalný vodík (bod varu -253°C). Dusík a argón sa uchovávajú v kvapalnom stave v Dewarových nádobách a manipulácia s nimi je pomerne jednoduchá (dajú sa prelievať z nádoby do nádoby). Kvapalné hélium sa musí udržiavať v špeciálnych nádobách so superizoláciou.

U niektorých látok pri teplotách blízkych absolútnej nule odpor klesá nekontinuálne, skokom na hodnotu teoreticky aj prakticky nulovú. Podľa kvantovej mechaniky elektróny blízke Fermiho hladine, za podkritických teplôt prechádzajú do stavu s veľmi nízkou energiou.

Opíšte správanie sa materiálov v prostredí veľmi nízkych teplôt

a) Kovy a zliatiny kovov v prostredí veľmi nízkych teplôt nemenia svoje základné vlastnosti.

b) Sklo a keramika znášajú nízke teploty bez zmien vlastností, avšak vykazujú malú odolnosť voči náhlym zmenám teplôt. Táto vlastnosť súvisí s malou tepelnou vodivosťou a veľkým teplotným súčiniteľom dĺžkovej rozťažnosti. Manipulácia s nimi v prostredí nízkych teplôt súvisí aj s ich rozmermi.

c) Plasty znášajú veľmi nízke teploty zle. Dochádza k ich skrehnutiu, ktoré pri ohriati síce zmizne, ale pri opätovnom ochladzovaní dochádza najmä pri mechanickom namáhaní k ich deštrukcii. Na druhej strane znášajú veľmi dobre náhle zmeny teplôt. Táto vlastnosť sa používa pri hermetizácii a pri izolácii vodičov. Osobitnú pozornosť je potrebné venovať spojom plast – kov, pretože plasty majú o jeden rád väčšiu tepelnú rozťažnosť ako kovy. Pri nízkych teplotách klesá pružnosť plastov, čo môže v týchto spojoch vyvolať vznik trhlín.

Magneticky mäkké materiály

, ktorých Hc je menšie ako 800 Am-1 (určené pre prevádzku v striedavých magnetických poliach, prípadne v dynamických režimoch). Možno ich ľahko zmagnetovať aj odmagnetovať. Majú úzku hysteréznu slučku, malú koercivitu, vysokú hodnotu permaebility, vysokú indukciu nasýtenia a malé merné straty. Patria tu technicky čisté železo, elektrotechnické plechy, zliatiny s veľkou permeabilitou (zliatiny železa a niklu – permalloy, čisté železo), zliatiny s konštantnou permeabilitou (perminvar), zliatiny s vysokou indukciou nasýtenia (kremíkové ocele, zliatiny železa a kobaltu), zliatiny so špeciálnymi vlastnosťami, magneticky mäkké ferity (NiO - ZnO, MnO - ZnO, (Ni – Zn - M)O. Fe2O3, kde M je jeden z prvkov Cu, Mg, Mn, Pb a iné).

Patria tu:

- ocele - odporučené pre relé, meracie prístroje, elektromagnetické spojky a pod.

- zliatiny FeCo - vyznačujú sa maximálnou magnetickou indukciou, pripravuje sa aj s orientovanou štruktúrou. Zliatina má veľkú magnetostrikciu.

- kremíkové ocele - sú najrozšírenejšie v elektrotechnike, môžu izotropnú aj anizotrópnu štruktúru a používajú sa napríklad pre jadrá transformátorov, pre jadrá nízkofrekvenčných tlmiviek, pre elektrické stroje netočivé a točivé, pre prístroje, pre výrobu transformátorového plechu.

- magneticky mäkká zliatina NiFe sa podľa obsahu niklu vyznačuje:

a) 75 - 80 % Ni - najväčšími hodnotami počiatočnej a maximálnej permitivity, malou koercitivitou a malými hysteréznymi stratami, zliatina s prímesami Cu, Cr, Mo, Mn sa nazýva permalloye.

b) 50 % Ni - najväčšou indukciou zo všetkých zliatin.

c) 36 % Ni - zliatina s názvom invar má najmenší teplotný súčiniteľ dĺžkovej rozťažnosti.

d) 30 % Ni - má nízku Curieho teplotu.

e) zátavové magneticky mäkké zliatiny FeNi, ktoré sa používajú sa pre výrobu kontaktov, ktoré sa zatavujú do olovnatého skla.

f) zátavové magneticky polotvrdé zliatiny, ktoré sa používajú sa pre jazýčkové kontakty.

Magneticky tvrdé materiály

, pre ktoré Hc je väčšia ako 1 500 Am-1 (určené pre prevádzku v statickom režime). Tieto materiály sa neľahko zmagnetujú (hlavne premagnetujú), majú širokú hysteréznu slučku a málo strmý priebeh krivky prvotného magnetovania, veľkú koercivitu, veľkú remanenciu a veľký maximálny súčin (BH)m. Patria tu tvárne ocele a zliatiny, liate magnety, práškové kovové materiály, kysličníkové materiály (ferity)

Teória diamagnetizmu a paramagnetizmu

Tuhé látky sú paramagnetické vtedy, ak atómy alebo ióny nemajú celkom zaplnené vnútorné orbity. Príkladom sú paramagnetické alkalické kovy sodík, draslík alebo hliník a horčík.

Medzi diamagnetiká sa radia tuhé látky tvorené atómami s malým alebo nulovým paramagnetickým príspevkom valenčných či vodivostných elektrónov. Patria sem kryštály alkalických halogenidov (NaCl, KBr), organické látky, kovy Au, Ag, Cu a supravodiče.

13.6 Spontánny magnetizmus

Táto magnetizácia je daná spontánnym usporiadaním magnetických momentov jednotlivých atómov vo vnútri malých oblastí kryštálu, nazývaného domény. Podstatou vzniku tejto interakcie je existencia neúplne obsadených orbitálov a vhodná štruktúra, ktorá umožňuje interakciu spinov elektrónov na týchto orbitách. Proti orientujúcemu vplyvu výmenného poľa pôsobí tepelný pohyb a pri dostatočne vysokých teplotách, vyšších ako Curieho teplota Tc, spontánna magnetizácia zaniká, domény sa rozpadajú a látka prechádza do paramagnetického stavu.

13.10 Ferity

Vyznačujú sa kombináciou magnetických vlastností a veľkého elektrického odporu. Vstupnými materiálmi pri ich výrobe sú oxidy Fe2O3, MnO, NiO a ich výroba odpovedá keramickým technológiám, kedy sa postupne namiešajú namleté práškové suroviny, ktoré sa lisujú a vypaľujú. Používané sú pre jadrá vysokofrekvenčných cievok a transformátorov, pre výrobu keramických magnetov, na prenášanie veľkých výkonov u impulzných riadených zdrojov, u zváracích transformátorov a pod.

Patria tu magneticky mäkké ferity na báze Mn-Zn a Mg-Mn-Zn, ktoré sa využívajú najmä v telekomunikačnej technike (jadrá vychyľovacích cievok farebných obrazoviek, anténne tyče a pod.).

Magneticky tvrdé ferity sú oxidické materiály používajú sa pre veľmi výkonné motory, pre toroidné magnety pre reproduktory.

Medzi ferity so špeciálnymi vlastnosťami patria mikrovlnné ferity s granátovou štruktúrou, ferity s pravouhlou hysteréznou slučkou, magnetostrikčné ferity (pre rezonátory a detektory ultrazvukových vĺn) a hutné ferity (pre záznamové a čítacie hlavy)

13.11 Magnetické granáty

Magnetické granáty sú monokryštalické ferimagnetické látky s obsahom vzácnych zemín a galidu železa. Základným typom je ytritoželezitý (YIG) a galitoytritoželezitý granát (GaYIG). Používajú sa v mikrovlnnej technike.

13.12 Magnetické kompozity

Magnetické kompozity sú tvorené feromagnetickou alebo ferimagnetickou látkou s nosným médiom (roztoky prírodných alebo syntetických živíc) a používajú sa pre magnetické zámky, magnetické gumené tesnenia, pre membrány reproduktorov, magnety pre korekciu farieb farebných obrazoviek, magnetické spínače, magnetické laky a lepidlá, magneticky aktívne vrstvy magnetických pások a pod.

Fyzikálna podstata elektrických vlastností izolantov

Náboje elektricky nabitých častíc izolantov a dielektrík sú viazané na pevné miesta. Ideálny izolant je látka zložená výhradne z nábojov vzájomne viazaných elektrostatickými silami. Keďže neobsahuje voľne pohyblivé elektrické náboje, nemôže ňou pôsobením vonkajšieho elektrického poľa tiecť prúd, teda jej elektrická vodivosť je nulová a nevznikajú v nej dielektrické straty. Reálny izolant obsahuje malé množstvo voľných nábojov, Z hľadiska pásmovej teórie sa bude látka chovať ako izolant, ak všetky energetické hladiny najvyššieho valenčného pásma budú plne obsadené, energetický pás DWz zakázaných energií dostatočne široký (> 3eV) a energetický vodivostný pás prázdny.

Reálny izolant v plynnom, kvapalnom a tuhom stave charakterizujeme:

- relatívnou permitivitou er,

- elektrickou vodivosťou s ( elektrickou vodivosťou vnútornou sv a povrchovou ss),

- dielektrickými stratami tgd,

- elektrickou pevnosťou Ep.

Každý izolant je súčasne dielektrikom, avšak nie každé dielektrikum je izolantom. V dielektriku využívame polarizovateľnosť jeho kladných a záporných nábojov na zvýšenie kapacity elektród, medzi ktorými sa nachádza. Viazané náboje môžu tvoriť molekuly neutrálne (nepolárne) s úplne symetrickou stavbou, takže ich ťažiská splývajú a výsledné pole je nulové. Chemické väzby sú kovalentné, bez dipólového momentu. Pôsobením vonkajšieho poľa sa symetria nábojov poruší a ich ťažisko presunie. Nepolárna molekula vytvorí elektrický dipól a získa indukovaný elektrický moment. Patria sem H2, O2, Cl2, CH4, SF6. Molekuly dipólové (polárne) majú nesymetrickú stavbu a trvalý elektrický moment, vyplývajúci z povahy chemických väzieb a priestorového usporiadania atómov v molekulách, smerujúci od záporného náboja ku kladnému v smere spojníc ich ťažísk. Jeho absolútna hodnota m0 = e.l, kde l je polohový vektor kladného náboja vzhľadom k zápornému.

Dielektriká sa využívajú pre konštrukciu kondenzátorov a tiež ako elektro- luminiscenčné látky, piezoelementy, pamäťové prvky, zobrazovacie jednotky a sú základným funkčným materiálom mikroelektroniky a optoelektroniky. Izolanty sú súčasťou každého elektrotechnického zariadenia. Napr. feroelektriká (titaničitan bárnatý) sú vysoko dielektrické materiály so spontánnou nelineárnou polarizáciou závislou na intenzite elektrického poľa a s radom feroelektrických vlastností.

Izolanty sa charakterizujú triedou tepelnej odolnosti izolantu, ktorá klasifikuje tepelnú odolnosť izolantu z hľadiska maximálnej teploty,

Pamäte počítačov odolné proti výpadku napájania

Pamäte počítačov odolné proti výpadku napájania

sú materiály na báze feroelektrík, ktoré umožňujú vytvoriť feroelektrické kondenzátory priamo na čipe polovodičovej pamäte. Vhodným zapojením získame permanentnú pamäť, ktorá počas niekoľkých dní po vypnutí napájania si zachováva informácie.

Ak vonkajšie napätie U bude väčšie ako Uc, feroelektrikum prejde do nasýteného stavu charakterizovaného tým, že pri následnom vypnutí (U = 0) sa feroelektrikum bude nachádzať v jednom zo stabilných stavov s polarizáciou Ps. Tieto stavy odpovedajú logickej 1 resp. logickej 0.

Elektroforéza

sa líši od elektrolýzy (iónovej vodivosti) tým, že pri nej nenastávajú na elektródach chemické zmeny a vylučovanie látok, ale mení sa len pomerná koncentrácia koloidných častíc v rôznych vrstvách.

Elektrická vodivosť tuhých izolantov

Elektrickú vodivosť tuhých izolantov spôsobuje buď pohyb iónov vlastného izolantu alebo tiež ióny náhodných prímesí alebo prítomnosť voľných elektrónov.

Elektrická vodivosť tuhých izolantov môže byť vnútorná a povrchová Povrchovú elektrickú vodivosť zapríčiňuje voda adsorbovaná na povrchu. Voda sa najčastejšie adsorbuje na povrchu v dôsledku kondenzácie vodnej pary z vlhkého vzduchu. Elektrický prúd nepreteká izolantom, ale tenkou vrstvičkou vody adsorbovanej na povrchu.

Komplexná permitivita

Vlastnosti reálnych dielektrík pri striedavom napätí je účelné vyjadriť pomocou komplexnej permitivity.

Elektrická pevnosť

Elektrická pevnosť Ep je schopnosť izolantu zachovávať si izolačné vlastnosti v elektrickom poli. Je materiálovou charakteristikou, ktorú vyjadrujeme ako podiel prierazného napätia Up pri skúške elektrickej pevnosti a najkratšej vzdialenosti medzi elektródami d. Elektrické pevnosť je intenzita elektrického poľa Ep v dielektriku v okamihu prierazu

Elektrická pevnosť izolantov závisí od teploty, od homogenity elektrického poľa, od hrúbky izolantu d, času pôsobenia a od tvaru napäťovej krivky.

Plyny a zmesi plynov vysokej čistoty pre špeciálne použitie

Ich najväčšie množstvo sa spotrebuje pri výrobe integrovaných obvodov, plazmochemickom leptaní, iónovej implantácii. Patria tu aj nízkovriace kvapaliny používané pre prípravu epitaxných vrstiev kremíka. Ide najmä o vysokočistý tetrachlorid kremíka, trichlórsilán a dichlórsilán. Ich spoločnou vlastnosťou je chemická reaktivita, ktorá sa uplatňuje pri vysokej teplote alebo pri pôsobení elektrického poľa. Nosné plyny ako je argón, dusík alebo vodík sa na reakcii nezúčastňujú. Účinné zložky sa v styku s vyhriatym podkladom rozkladajú a podľa charakteru aktívnej zložky dochádza k žiaducej reakcii.

Plyny tejto skupiny rozdeľujeme na plyny pre leptanie, pre dotovanie, pre vytváranie vrstiev a pre iónovú implantáciu.

LEPTANIE: plynný chlorovodík a fluorovodík

DOTOVANIE: argón, dusík alebo vodík

Plyny pre iónovú implantáciu

Pre iónovú implantáciu vyhovujú zlúčeniny s nízkou ionizačnou energiou, ktoré obsahujú katióny donorového alebo akceptorového typu. Ide o fluoridy fosforu (PF3), arzénu (AsF3) alebo bóru (BF3, BF6). Tieto látky sú vysoko reaktívne a jedovaté. Dodávajú sa stlačené v oceľových fľašiach. Plyny sa vpúšťajú do zariadenie pre iónovú implantáciu za podtlaku, privedú sa do ionizovaného stavu a ich katióny získajú takú rýchlosť, aby vnikli do pod povrch kremíkovej doštičky, ktorá má teplotu okolia. Tým sa vnesie do substrátu určené množstvo prímesí. Nasleduje difúzia pri teplote okolo 600°C do vhodných miest mriežky.

Voda v elektronike

Voda sa používa pri výrobe mikroelektronických súčiastok (čipov), pri výrobe obrazoviek, pri umývaní dosiek plošných spojov po spájkovaní a pod. Používa sa vysokočistá deionizovaná voda s rezistivitou nad 10 MW.

Kvapalné izolanty:

destilovana voda, parafinické a naftenické oleje, transformátorový olej a olej káblový

synteticky pripravovane:
Polybutény (náplň potrubných káblov, impregnanty), chlórované aromatické uhľovodíky (sú však karcinogénne a preto ich používanie je v súčasnosti zakázané), a silikónové oleje (drahé)

Odmasťovacie a rozpúšťacie kvapaliny

· Chlórované uhľovodíky ako trichlóretylén a perchlóretylén, ktoré umožňujú odmasťovanie nielen za studena, ale aj za horúca, ale najčastejšie v kondenzovaných parách rozpúšťadla. Sú však zdravotne škodlivé a na povrchu zanechávajú stopy chloridových iónov.

· Chlórfluorované uhľovodíky, najmä trichlórtrifluóretán (TTE – obchodné názvy: Freon, Ledon, Fridge, a pod.) a jeho zmesi, ktoré sú najdokonalejšími rozpúšťadlami. Je zdravotne neškodlivý a rozpúšťa aj silikónové oleje a tiež nerozpúšťa plasty. Jeho nevýhodou je, že spôsobuje zmenšovanie ozónovej vrstvy, a preto sa jeho používanie v mikroelektronike obmedzuje.

· Organické horľavé rozpúšťadlá ako toluén, xylén, metanol (posledné opláchnutie pred sušením), etanol, izobutanol a acetón (posledné opláchnutie pred sušením).

Prírodné oleje

Do skupiny prírodných olejov patria minerálne oleje, vyrábané destiláciou z ropy, a tiež rastlinné a živočíšne oleje. V technickej praxi sa v súčasnosti používajú takmer výhradne oleje minerálne, medzi ktoré patria oleje mazacie a konzervačné oleje, oleje kondenzátorové, spájkovacie oleje, oleje pre pohon difúznych vývev a mazadlá pre zábrusy vysokovákuových zariadení. Všeobecne majú oleje relatívnu permitivitu okolo 2,5, ktorá sa mení s teplotou a frekvenciou len málo. Sú teda stabilné, avšak najmä vplyvom kyslíka rýchlo starnú.

Mazacie a konzervačné oleje, Oleje kondenzátorové Spájkovacie oleje Oleje pre pohon difúznych vývev Mazadlá pre zábrusy vysokovákuových zariadení

Kvapalné kryštály

predstavujú osobitný druh kvapalín, ktoré sa v určitom intervale teplôt vyznačujú určitou usporiadanosťou a v dôsledku toho anizotrópiou. Sú charakteristické tým, že pri zahrievaní kvapalného kryštálu v pevnej fáze sa dosiahne bod tavenia, pri ktorom sa mliečne zakalená látka zmení na anizotrópnu kvapalinu a len ďalším zahrievaním sa dosiahne bod vyjasnenia, nad ktorým má látka charakter izotrópnej kvapaliny. Štruktúra na rozhraní kvapalnej a tuhej fázy so snahou udržať si pravidelné usporiadanie kryštálovej štruktúry sa nazýva mezomorfná štruktúra. V elektronike sa používajú v širokom meradle hlavne pri výrobe pasívnych zobrazovacích jednotiek.

1.Základy atómovej teórie:

● Rutherfordov model atómu: Príťažlivá elektrostatická sila medzi elektrónmi a jadrom je kompenzovaná odstredivou silou. Predstava je v rozpore s klasickými zákonmi elektrodinymiky. Atómy majú stále čiarové spektrá.

● Kvantová teória: Pri pozorovaní absolútne čierneho telesa prišiel Planck na to že energia nie je vyžarovaná a pohlcovaná spojite, ale po kvantách. Kvantum je celistvý násobok elementárneho kvanta: W = h.f. Planckova konštanta je h = 6,626.10^-34 Js. f je frekvencia žiarenia. Teória vysvetľuje Einsteinov fotoelektrický jav. Predpokladá, že svetlo je zložené z fotónov, ktoré sa pohybujú rýchlosťou svetla. Po dopadnutí na kov odovzdajú energiu elektrónom. Jeden fotón uvoľní jeden elektrón.

● Elektrónová teória: Vlastnosti atómov sú charakterizované Bohrovými postulátmi, Pauliho vylučovacím princípom, pravidlom maximálnej multiplicity a kvantovými číslami. Vlna a častica sú len 2 formy tej istej fyzikálnej reality. Častica, alebo kvantum svetla sa nazývajú fotóny. . Pohyb elektrónu je opísaný vlnovou funkciuo (de Broglieho vlnou) ψ. Vlnová funkcia je funkcia priestorových súradníc elektrónu a štvorec ψ² je pravdepodobnosť, že elektrón sa nachádza v danom priestore. Elektrón je elementárna častica, ktorá obieha okolo jadra po kvantových dráhach a má záporný náboj (1e^- = 1,602.10^-19).

● Bohrove postuláty:

1) Elektrón sa pohybuje po kruhovej dráhe určujúcej kvantovú podmienku: m.v.r = n.(h/2π);

2) Každá kvantová dráha predstavuje určitý stacionárny stav elektrónu v atóme, ktorý char. č. n.

Jednotlivé stavy sa odlišujú obsahom energie

3)Vyžarovanie alebo pohlcovanie energie sa uskutočňuje len pri prechode medzi kvantovými dráhami. Prechod elektrónu medzi energetickými stavmi sa uskutočňuje po kvantách

● Kvantové čísla:

Hlavné kvantové číslo n: označuje elektróny jednej vrstvy. Označujeme ich K, L, M, N, O , P, Q (n = 1...7). Max. počet elektrónov na 1 vrstve je 2n²

Vedľajšie kvantové číslo l: charakterizuje elektróny líšiace sa energiou v rámci vrstvy – orbitály a tiež moment hybnosti elektrónu. Orbitály označujeme s, p, d, f, g, h. Každá vrstva má konšt. Počet orbitálov. Orbitál predstavuje objemový element priestoru, v ktorom sa pravdepodobne vyskytuje častica v danom momente. Orbitály s takmer rovnakou energiou tvoria vrstvy. (l = 0, 1 ... n-1)

Magnetické kvantové číslo m: určuje projekciu dráhového magnetického momentu do predpísaného smeru. Daný orbitál sa teda štiepi na (2.l + 1) skupín. Umiestnením atómu do silného magnetického poľa sa štiepia spektrálne čiary, pretože elektróny sa líšia obsahom energie. (m = -l,..-1,0,1,...l)

Spinové kvantové číslo s: rozlišuje kvantový smer rotácie elektrónu okolo svojej osi – spinu. (s = ±0,5)

● Pauliho vylučovací princíp: V atóme nemôžu existovať 2 elektróny s rovnakými kvantovými číslami. Maximálny počet elektrónov v orbitále je 2.(l+1) vo vrstve 2n².

● Hundovo pravidlo: Elektróny obsadzujú orbitály tak, aby pred ich spinovým párovaním bolo na orbitáloch daného typu čo najviac elektrónov s rôznym magnetickým číslom.

2.Kryštály:

● Poruchy kryštálovej mriežky:

Bodové poruchy: Vakancie (prázdne miesta): vplyvom vysokej teploty. Interstície (atómy v medziuzlovej ploche). Substitúcie (cudzí atóm na mieste základného). Súvisia s čistotou a chem. zložením materiálu. Vakancie a interstície zvyšujú elektrický odpor.

Čiarové poruchy: Dislokácie sú charakterizované geometr. a energetickými faktormi. Rozlišujeme dislokácie hranové a skrutkové. Pohyb dislokácii sklzom umožňuje plastickú deformáciu a pohyb šplhom umožňuje difúziu.

Plošné poruchy: Vrstevná chyba môže vzniknúť sklzom, vybratím 1 atómovej roviny a vložením 1 atómovej roviny. Iným typom je mozaika zŕn.

V iónovom kryštále:

Frenkelova porucha: Súčasný výskyt (+) iónu v intersticiálnej polohe a vakancie na mieste (+) iónu.

Schottkyho porucha: Súčasný výskyt vakancie na mieste (+) aj na mieste (-) iónu. Výskyt je v hustých mriežkach. Tieto porucha uľahčujú prenos častíc, čím podp. difúziu, el. a tep. vodivosť.

● Chemické väzby: Závisia od vonkajšieho el. obalu. El. sú usporiadané tak aby ich celková en. Bola čo najmenšia a stabilita čo najväčšia.

Iónová: Elektrostatická príťažlivá sila medzi kladne a záporne nabitými iónmi. Je typická pre izolanty.

Kovalentná: Je tvorená dvojicami el. spoločnými pre oba atómy. Je typická pre polovodiče. Môže byť polárna, alebo nepolárna.

Kovová: Je väzba medzi katiónmi a el. prvkov s malým počtom val. el., kt. sú slabo viazané k jadru. Podmienkou je tesné usporiadanie atómov v mriežke. Materiály majú dobrú tepelnú a el. vodivosť a nie sú priesvitné. Je typická pre kovy.

● Pásmová teória: Elektróny môžu svoju en. zväčšovať len v skokoch (nie spojite). Hladiny dovolených en. sú oddelené hladinami zakázaných energií. En. hladiny sa štiepia a vytvárajú en. pásma.

Vnútorné: Nemá vplyv na prenos náboja

Vonkajšie (valenčné): sústava en. hladín, kt. el. vytvárajú chem. väzby. V izolantoch a polovodičoch je to najvyššie zaplnené pásmo. Vo vodičoch je neúplne zaplnené splýva s vodivostným pásmom. Horná en. hladina valenčného p. je ozn. ako W_v.

Zakázané: Oblasť energií, kt el. nemôžu nadobudnúť. Je medzi val. a vodiv. pásmom. El. z val. pásma nemôže prejsť do vodivost. Ak namá vyššiu en. ako je širka zakázaného pásma. Táto šírka je materiálovo konštantná. Jeho šírka je označená ako ΔW_z.

Vodivostné: En. pásma v kt. sú el. uvoľnené z chem. väzieb. Je to čiastočne zaplnené pásmo vo vodičoch a vôbec nezaplnené u polovodičov a izolantov pri T=0K. Dolná hladina je ozn. ako W_c.

● Kvapalné kryštály: Kvapalné látky, ktoré sa v určitom intervale teplôtvyznačujú určitou usporiadanosťou → anizotropiou. V pevnej fáze sa zahrievaním premenia na mliečne zakalenú kvapalnú látku a ďalším zahrievaním sa kvapalina vyjasní → izotrópna kvapalina.Mezomorfná štruktúra je taká ktorá sa snaží si na rozhraní kvapalnej a tuhej látky udržať pravidelné usporiadanie.

Smektická štruktúra: jednotlivé molekuly sú zoradené tak, že majú rovnobežné osi a v rovinách, pravidelne. Ešte nenašla využitie.

Nematická štruktúra: molekuly majú rovnobežné osi. Má elektrooptické vlastnosti – zmenou el. poľa dosiahneme zmenu opt. vlastností. Našla široké uplatnenie. (Zvláštnym druhom nem. štr. Je cholesterická štruktúra – zmena tepla – rozptyl svetla – inej teplote odpovedá iná farba).

LCD (Liquid Crystal Dysplay): Vypĺňa ho kvap. kryštál. Pracuje na princípe zmeny natočenia kryštálov pri pôsobení elektrostat. poľa. Na budenie sa používa striedavé napätie. Pre farebný obraz sa aplikujú farebné filtre.

3.Vodiče:

● Fermi – Diracova štatistika: (Fermi – Diracova rozdeľovacia funkcia) hovorí o pravdepodobnosti obsadenia enrget. hladín elektrónmi. Až po fermiho hladinu pri absolútnej 0. Pri vyššej teplote, elektróny obsadzujú aj hladiny nad femiho hladinou. W_f je fermiho energia. V polovodičoch a izolantoch je W_f medzi valenčným a vodivostným pásmom. Leží v strede šírky zakázaného pásma. V kovoch predstavuje W_f max. energiu elektrónov pri teplote abs. 0.

● Termoelektrické vlast. kovov: Vodivým spojením 2 kovov vzniká el. potenciál. Dochádza k tunelovému priechodu el. a vyrovnaniu ich Fermiho hladín. Uzavretím okruhu a uvedením koncov na rozličné teploty potečie prúd v dôsl. termoel. napätia (vznikn. z kontaktového a objemového). Objemové vzniká difúziou voľných nosičov náboja z vyššej do nižšej konc. Termoel. jav sa využíva k meraniu teploty.

● Magnetické vlast. kovov: Sú dané výsledným magnetickým momentom atómov, zloženým z dráhových momentov (DM) a spinových momentov (SM).

Diamagnetické: DM a SM sú vykompenzované. Výsledný magn. Moment je 0. Vložením do magn. poľa sa dráha el.deformujú. Indukuje sa magn. moment oslabujúci vonk. magn. pole. Magnetická susceptibilita κ je záporná a veľmi malá (-10^-5).Patria sem inertné plyny, organické látky a H, Cu, Ag,

Be, C, Si...

Paramagnetické: SM sú vykompenzované, moment je daný nevykompenzovanými DM el., kt. sú neusporiadané kým na ne nepôsobí vonk. magn. pole. Magn. momenty sa orientujú do jeho smeru a zosilňujú ho. Κ je vždy kladná (10^-5 – 10^-2), Relat. permeabilita μ_r>1. Patrí sem kyslík, niektoré ogidy, Al, Cu, Mg, W...

Feromagnetické: DM sú takmer vykompenzované, výsledný magn. moment je daný SM el. V určitých oblastiach vznikajú domény – látka je zmagnetizovaná do nasýtenia bez účinku vonk. magn. poľa. Po prekročení (Currieho) feromagn. Teploty sa látka stáva paramagnetikom. Ľahko sa zmagnetizuje aj v slabom magn. poli a magnetizácia ostáva zachovaná. κ aj μ_r sú vysoké (10⁶), silne závislé od teploty a intenzity magn. poľa. Patria sem Fe, Co, Ni a ich zliatiny.

Antiferomagnetické: S anti paralelne orientovanými SM. κ rádovo ako u paramagnetík. Pri currieho teplote dochádza k porušeniu antiparalelných spinov. Patria sem oxidy, sírniky, chloridy Mn, Cr, Fe, Co, Ni...

Ferimagnetické: sú zvláštnym prípadom antiferomagnetík. Momenty nie sú rovnaké a nekompenzujú sa – prejavujú rozdielový magnetický moment. Patria sem ferity.

● Faktory ovplyvňujúce vodivosť vodičov:

Pohyblivosť u: Súvisí s teplotou, tepelnými kmitmi a poruchami kryšt. Mriežky. Je def. ako rýchlosť elektrónov v vztiahnutá k intenzite el poľa E (u=v/E).

Teplota T: S rastom teploty rastie odpor materiálu. Nad Debeyovou teplotou – 100K rastie rezistivita lineárne s teplotou. Pomer el. a tepelnej vodivosti je podobný pre vš. kovy. Súvis el. a tep. vl. kovov je char. Wiedemann-Franzovým zákonom.

Rezistivita ρ: [ρ]=Ω.m. Udáva čís. Odpor napr vodiča dl. 1 m s prierezom 1 m² a pri teplote 20° C. Vodiče majú rez. Od 10^-2 do 10¹ μΩm. Teplotný súčiniteľ odporu α_R: udáva číselne o akú hodnotu sa zmení odpor vodiča 1Ω ak sa zvýši jeho teplota o 1°C. Môže myť kl. al. záp. Rezistivita klesá na 0 pri kritickej teplote - supravodiče

Tlak p: Pri väčšine kovov klesá rezistivita s rastúcim tlakom.

Prímesi: Rezistivita rastie s rastúcim obsahom nečistôt. Akákoľvek cudzia látka alebo porucha sťaží prechod el.prúdu → vyššia rezistivita. Zliatiny majú menšiu konduktivitu → s rastúcou čistotou, rastie konduktivita

Usporiadanosť: Rezistivita, rastie s rastúcou neusporiadanosťou. Rezistivita sa zníži žíhaním, poklesne neusporiadanosť mriežky.

Deformácia za studena: Do mriežky sa zavádzajú poruchy → zvyšuje sa vnútorné napatie aj rezistivita.

4.Neželezné kovy a ich zliatiny vo výrobe a v praxi:

● Meď: Je načervenalý kov, dobre tvárniteľný. Má vynikajúcu vodivosť. Tieto vlastnosti klesajú obsahom nečistôt. Je odolná voči korózii. Ľahko sa odplyňuje. Nehodí sa na stavovanie so sklami. Krehne vplyvom „vodíkovej nemoci“.

Používa sa ako vodič pre el. energiu vzdušným vedením, alebo ako vodivé jadro káblov. V porovnaní s hliníkom je dosť drahá a preto sa ním nahradzuje. Drôty sú chránené kaučukovou izoláciou a cínovým povlakom. Dobre sa spájkuje pri nízkych teplotách. Používa sa vo forme fólií pri výrobe

plošných spojov. Vyrába sa valcovaním, alebo galvanickým vylučovaním na katóde.

Pre výrobu vodičov sa používa meď elektrovodná – ECu. Meď s potlačeným obsahom kyslíka – Cu – OFHC (Oxygen Free High Conductivity) – netrpí vodíkovou nemocou. Vysokočistá meď (99,999%) sa používa na výrobu (nosníkov) targetov, mikrodrôtov...

Zliatiny: mosadze, bronzy (CuSn), CuCo, CuFe...

● Hliník: Je biely, striebrolesklý mäkky kov. Na vzduchu sa pokrýva sivobielym povlakom. Má veľmi malú hustotu. Má malú mechanickú pevnosť – dá sa zvýšiť (mikro)legovaním. Pomerne dobre odoláva kyselinám a zásadám.

Využíval sa pri výrobe zbraní, neskôr v letectve. Jeho el. vodivosť je asi 65% medi. Je 3tím najl. vodičom za Ag a Cu. Využívajú sa aj dielektrické vlastn. oxidu. Vo forme povlakov sa používa ako reflektor žiarenia v obrazovkách.

5.Supravodiče:

Supravodivosť je pokles rezistivity niektorých kovov a zliatin pri teplote blízkej abs. 0.U niektorých materiálov poklesne rezist. Aj 16x oproti izbovej teplote. Tento jav bol objavený na ortuti a v súčasnosti existuje len 27 prvkov a asi 1500 zliatin u ktorých bol jav SV objavený. Zatial sa nepotvrdil u ušťachtilých ani alkalických prvkov.

Supravodivý jav je považovaný za samostatný jav materiálu s vyšším stupňom poriadku, ak sa entrópia rovná 0. Je to vratný stav.

SV stav nastane ak sú splnené 3 podmienky:

● Tepolota SV je nižšia ako kritická teplota T_k

● Intenzita magnetického poľa je nižšia ako kritická intenzita H_k

● Hustota prúdu je nižšia ako kritická hustota J_k

Použitie: na prenos el. energie pri 100% účinnosti, ako trecie ložiská, vo vysokomagn. Solenoidich, na zníženie Joulových strát v jadrách – prenos veľmi veľkých výkonov, súčiastky do veľmi rýchlych počítačov, v oblasti digitálnej techniky (Josephsonova tunelujúca štruktúra)...

6.Elektrické vlastnosti izolantov a dielektrík:

● Izolanty a dielektriká: Izolanty sú látky s veľkým odporom elektrického prúdu. Dielektriká majú schopnosť hromadiť el. energiu napr. v kondenzátoroch. Ich hlavným parametrom je relatívna permitivita. Využívajú sa na izoláciu vodivých telies. Je zložená z nábojov vzájomne viazaných elektrostat. silami. Neobsahuje žiadne alebo veľmi málo voľne pohyblivých el. nábojov. Vodivosť izolantov je σ<10^-8 Sm^-1. Zakázané pásmo je široké až 3eV a viac. Izolant sa char. ● Relatívnou premitivitou ε_r ● elektrickou vodivosťou σ (vnútorná σ_v a povrchová _σ) ● dielektrickými stratami tgδ ● elektrickou pevnosťou E_p. Každý izolant je aj dielektrikom, nie každé dielektrikum je aj izolantom. Izolanty sa charakterizujú aj triedou tepelnej odolnosti, ktorá klas. Izolant z hľadiska max. teploty pri ktorej vykazuje optimálnu životnosť. Existuje 7 teplotných tried (Y, A, E, B, F, H, C);

● Polarizácia dielektrika: Je proces, pri ktorom dochádza k narušeniu symetrie el. nábojov. Následkom toho sa vytvárajú el. dipóly a každý má svoj dipólový moment. Dochádza k vysúvaniu el. nábojov z rovnovážnych polôh. Dipólové molekuly sa orientujú v smere poľa. Polarizovateľnoť je základná vlastnosť dielektrík. Polarizácia z makroskop. hľadiska: pozeráme sa na ňu ako na pomer dipólového momentu a objemu izolantu.. Tento pomer vzniká ako výsledok exist. obrovského počtu dipól.

Momentov. Polarizácia z mikroskop. hľadiska: Pozeráme sa na ňu ako na pružné posunutie viazaného náboja v smere (-) alebo proti smeru (+) el. poľa. Druhy polarizácie dielektrík:

Pružná elektrónová a iónová: rýchly priebeh, veľmi krátka doba trvania (10^-12 – 10^-15 s), bez strát energie. Spočíva v posuve kladných a záporných nábojov opačnými smermi.

Relaxačná dipólová a iónová: pomalý priebeh, chaotické tepelné pohyby častíc sú usmernené, vzniká nesymetrické rozloženie nábojov, vzrast dipólového momentu. Relaxačný čas τ (10^-2 – 10^-10 s) – interval za ktorý po odpojení el. poľa polarizácia klesne na 37%.

Medzivrstvová (migračná): vznik indukovaného dipólového momentu na makroskopické vzdialenosti v dôsledku rôznej pohyblivosti voľných nábojov. Je typická pre nehomogénne dielektriká (viacvrstvové izolanty) a má nelineárny char. Doba ustálenia je 10^-3 – 10^-7 s.

Spontánna (samovoľná): orientácia spontánne vytvorených el. momentov do smeru intenzity vonk. poľa. Je typická pre feroelektriká. Závisí od frekvencie, nad Currieho teplotou zaniká.

Rezonančná: súvisí s vlastnou frekvenciou kmitania elektrónov. Môže byť elektrónová al. iónová. Vyskytuje sa pri viditeľnom svetle a je dôležitá pre spektrálnu analýzu.

● Relatívna permitivita: Charakterizuje vplyv elektrického poľa na elektrický stav dielektrika. Patrí k najdôležitejším charakteristikám. Je merítkom polarizácie. Je to bezrozmerná veličina. Závisí od: - charakteru polarizačných procesov, - teploty, - frekvencie. V niektorých prípadoch je evidentný aj vplyv el. poľa.

● Závislosti permitivity:

Permitivita plynných izolantov: U plynov sú vzdialenosti molekúl veľmi veľké a ich vzájomné pôsobenie môžeme zanedbať. ε_r je väčšie alebo približne rovné 1. Polarizácia môže byť len elektrónová a dipólová. ε_r je tým väčšia, čím väčší je polomer molekuly.

Permitivita kvapalných izolantov:

U nepolárnych kvapalných izolantov sa ε_r pohybuje od 1,8 do 2 (2,5). ε_r nezávisí od frekvencie. Polarizovateľnosť molekúl je tepl. nezávislá. Platí tu Clausius – Mossottiho rovnica – v dôsledku tepl.rozťažnostisa mení v jednotke objemu počet dipólových momentov. (s. 63; obr. 5.4, 5.5)

Dipólové kvapalné izolanty majú elektrónovú a dipólovú polar. Ich ε_r je tým väčšia, čím rýchlejšie sa molekuly pohybujú. Pri veľmi nízkych teplotách sa molekuly nemôžu otáčať. So stúpajúcou teplotou sa podmienky zlepšujú. Permitivita je závislá aj od frekvencie. (s. 63; obr. 5.6, 5.7)

Permitivita tuhých izolantov: