§ 6. Тепловые свойства

Теплопроводность. Под теплопроводностью понимают процесс распространения тепла от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры.

При теплопроводности перенос теплоты осуществляется в результате передачи энергии от частиц с большей энергией частицам с меньшей при непосредственном контакте горячих частей системы с холодными.

Основной закон теплопроводности подобен первому закону диффузии и гласит, что плотность теплового потока Q пропорциональна градиенту температуры

(1.47)

где χ – коэффициент теплопроводности, Вт/(см*К), который зависит от температуры, давления, состава, структуры материала. Знак минус означает, что распространение тепла (тепловой поток) идет в сторону, противоположную градиенту.

В общем случае теплопроводность в твердых телах осуществляется двумя механизмами – движением носителей тока, в основном электронов, и упругими тепловыми колебаниями атомов решетки. Следовательно:

χ_Σ = χ_э+χ_ф (1.48)

где χ_э – электронная, а χ_ф – решеточная (фононная) составляющие теплопроводности.

Вклад этих составляющих в диэлектриках, металлах и полупроводниках – различен.

В диэлектриках, не имеющих свободных электрических зарядов, теплопроводность обусловлена передачей энергии от высокоэнергетических атомов и молекул к соседним атомам и молекулам, обладающим меньшей энергией, то есть перенос теплового движения осуществляется фононами. При этом рассеяние фононов на структурных дефектах решетки и собственно фононах затрудняет теплоперенос. Теплопроводность диэлектриков обычно существенно ниже, чем теплопроводность проводников. Лишь некоторые неорганические диэлектрики, такие как Al₃O₃, BeO, имеют теплопроводность, соизмеримую с теплопроводностью металлов, что объясняется электронным типом электро – и, следовательно, теплопроводности.

Для них справедливо следующее:

Χ_D=C (1.49)

где С – теплопроводность диэлектрика, совпадающая с теплоемкостью «газа» фононов; – средняя скорость фононов, приблизительно равная скорости звука; – средняя длина свободного пробега фононов, зависящая от того, на чем происходит рассеяние фононов: на фононах, на дефектах кристалла или на его внешних гранях.

В металлах, характеризующихся большой концентрацией электронов проводимости, при обычных температурах χ_э>> χ_ф и вкладом решеточной теплопроводности можно пренебречь (за исключением низких температур, ниже 300 К).

В процессе теплопроводности каждый электрон переносит при наличии градиента температур энергию kT, благодаря чему отношение теплопроводности к электропроводности в широком интервале относительно высоких температур пропорционально Т (закон Видемана – Франца):

(1.50)

Так как а , из приведенной зависимости следует, что при относительно высоких температурах практически не меняется с температурой.

С понижением температуры ниже 300К и соответственно уменьшением скорости движения электронов заметнее становится вклад рассеяния электронов на атомных колебаниях и примесях и поэтому при Т ≤ 300 К меняется сильнее и χ_э ≈ Т².

В полупроводниках из-за малой концентрации электронов проводимости роль χ_э намного меньше, чем в металлах (χ_э < χ_ф) и на первое место выходит решеточная (фононная) составляющая χ_ф. Ее роль тем больше, чем меньше концентрация носителей и соответственно σ. Для германия и полупроводникового соединения Bi₂Te₃:

Отсюда следует, что вклад χ_э в теплопроводность Bi₂Te₃ необходимо учитывать, тогда как в германии им можно пренебречь.

В зависимости от назначения и условий работы полупроводниковых устройств к значениям χ соответствующих материалов предъявляются разные требования. К.П.Д. термоэлектрических преобразователей энергии тем выше, чем меньше χ термоэлектрических материалов. Подложки микроэлектронных устройств (интегральных схем) должны обладать большими значениями χ, термоэлектрических датчиков – низкими и т.д.

Тепловое расширение (ТР) – изменение (в общем случае увеличение) размеров тела в процессе его нагревания. Тепловое расширение связано с ангармонизмом тепловых колебаний.

Обычно тепловое расширение характеризуют с помощью изобарного (при постоянном давлении Р) коэффициента объемного (α_v) или линейного – для твердых тел (α_l) – теплового расширения (КТР):

α_v= α_l= (1.51)

где V₂, l₂ и V₁, l₁ – объем и длина тела вдоль выбранного направления при Т₂ и Т₁ соответственно (Т₂ > Т₁).

В общем случае α_Т тем меньше, чем больше прочность межатомных связей.

В таблице приведены значения α_l для некоторых материалов, используемых в полупроводниковой электронике.

материалы	Al	Au	Mo	Ge	Si	α-Al2O3	GaAs
αl·106 К-1	26	14	5	6,69	7,0	5,5	6,67

Термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) – электродвижущая сила Е, возникающая в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру (эффект Зеебека). Цепь, состоящую из двух разных проводников, называют термоэлементом или термопарой.

Величина ТЭДС зависит от температур горячего Т_г и холодного Т_х спаев и от материала проводников. В небольшом интервале температур (0 – 100° С) величина Е=α(Т_г– Т_х), где α – коэффициент ТЭДС (коэффициент Зеебека [мкВ/К]), зависящий от материала обоих проводников и интервала температур.

В следующей таблице приведены значения α для некоторых материалов по отношению к α свинца. Знак «+» означает, что ток течет от свинца к материалу (электроны движутся в обратном направлении), знак «–» показывает, что ток течет от материала к свинцу.

При наличии градиента температур вдоль проводника возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На холодном конце накапливается отрицательный заряд, на горячем – положительный. Эта разность потенциалов создает объемную ТЭДС. В полупроводниках электронного типа электропроводности этот эффект выражен сильнее, чем в металлах, из-за того, что в них концентрация электронов растет с температурой и соответственно растет количество электронов, переходящих от горячего конца к холодному.

В дырочном полупроводнике на холодном конце скапливаются дырки (положительный заряд), на горячем – электроны, в электронном полупроводнике – наоборот. Поэтому в термоэлементе, состоящем из дырочного и электронного полупроводников, ТЭДС, возникающая в контакте, складывается из ТЭДС ветвей, составляющих термоэлемент.

При низких температурах скоплению отрицательного заряда на холодном контакте может дополнительно способствовать увлечение электронов фононами, движущимися от горячего конца (спая) к холодному.

На практике зачастую для надежного функционирования аппаратуры стремятся к повышению теплопроводности изоляционного материала без ухудшения его рабочих характеристик, поскольку теплота, выделяющаяся при работе проводников, магнитопроводов и приборов в целом, отводится в окружающую среду через слой изоляции. Поэтому для повышения теплопроводности типичных диэлектриков, какими являются полимеры, их изготавливают в виде композиций с неорганическими наполнителями. В таблице 1.5. приведены значения теплопроводности некоторых материалов.

Таблица 1.5. Значения коэффициентов теплопроводности некоторых материалов

Нагревостойкость – способность материала выдерживать повышение температуры и резкую смену температур (термоудары) без существенного ухудшения эксплуатационных свойств. Такими свойствами могут быть механическая или электрическая прочность, оптические свойства, стойкость к определенным агрессивным средам и т.д. Нагревостойкость является важной характеристикой, так как от нее зависит максимально допустимая рабочая температура аппаратуры в целом. Для характеристики нагревостойкости металлических материалов, работающих при высоких температурах, употребляют термин жаропрочность (сопротивление деформированию и разрушению в условиях действия механической нагрузки и высоких температур).

При повышении температуры в материалах возможно протекание различных явлений. Среди них целесообразно выделить:

• плавление кристаллических материалов. При этом материал переходит в аморфное состояние;

• размягчение аморфных материалов – вызывает сильное снижение механической прочности, а при наличии механической нагрузки – необратимую их деформацию;

• фазовые переходы в твердом состоянии – изменяют эксплуатационные характеристики (характерно для металлических конструкционных сплавов, магнитных, сегнетоэлектрических, жидкокристаллических и других материалов);

• горение, обугливание, окисление или разложение;

• изменение электрических характеристик;

• тепловое старение диэлектриков – вызывает изменение их структуры и свойств; происходит в результате химических процессов при длительном воздействии повышенной температуры и приводит к снижению механических и электрических параметров материала. Тепловое старение усиливается в присутствии кислорода, озона, при воздействии излучений, в том числе видимого и ультрафиолетового, электромагнитных полей, механических нагрузок. Тепловому старению особо подвержены органические материалы.

Нагревостойкость неорганических материалов значительно выше, чем органических.

Холодостойкость – способность материала сохранять свои свойства при понижении температуры. Она особенно важна для органических электроизоляционных материалов. При низких температурах их электрические свойства улучшаются, но они утрачивают гибкость и эластичность, приобретая нежелательную твердость и хрупкость, что может приводить к разрушению материалов.

На практике часто используют понятие рабочий интервал температур, указывающий нижний и верхний температурные пределы сохранения всех важных эксплуатационных свойств.

Температуропроводность – мера тепловой инерционности вещества. Этот параметр характеризует скорость изменения температуры вещества в нестационарных тепловых процессах. Коэффициент теплопроводности (м²/с) определяется по формуле:

α_Т= (1.52)

где ρ – плотность вещества; с – удельная теплоемкость.