(Fr.: matériaux électroniques; Du.: Werkstoffe der Elektronik; Eng.: materials for electronics), alle materialen die te pas komen bij het gebruik van elektrische energie in elektronische apparatuur.
We denken hierbij bijv. aan de passieve elementen in een elektronische versterker, voorgesteld door de symbolen L (zelfinductie), C (capaciteit) en R (weerstand). Deze bestaan in het algemeen uit door een beschermende laklaag omgeven blokjes, plaatjes, buisjes of ringetjes van stoffen die uitmunten door een bepaalde fysische eigenschap, die de basis vormt voor de specifieke werking van de genoemde elementen. De grootheden die bij een homogene en isotrope stof deze eigenschap beschrijven zijn, in dezelfde volgorde, de magnetische permeabiliteit μ, de permittiviteit of diëlektrische constante ε, en de soortelijke (elektrische) weerstand ϱ van de stof. Zij hangen af van de chemische samenstelling en de kristalstructuur van de stof en bovendien van de structuur van het materiaal, bijv. of het éénkristallijn, dan wel polykristallijn (keramisch) is. De materiaalkunde heeft dus ook een chemisch-technologische kant, die de chemische bereiding, de vormgeving en de beheersing van de structuur van het materiaal omvat. Op basis van het voorgaande kunnen we het begrip materiaal als volgt omschrijven: een materiaal is een stof die dank zij bepaalde eigenschappen en doordat een zekere structuur is aangebracht geschikt is voor een (gerichte) toepassing, in dit geval, in de elektronica (zie tabel).
Als voorbeeld van de chemische samenstelling zijn enkele eenvoudige stoffen vermeld. Eenvoudige stoffen in zuivere toestand worden echter zelden werkelijk toegepast; om een goede aanpassing te verkrijgen aan de eisen die de elektrotechniek stelt bereidt men mengkristallen van aan elkaar verwante stoffen en voegt men bovendien kleine hoeveelheden van vreemde stoffen toe. De taak van de materiaalkunde is enerzijds de eigenschappen van bekende stoffen in overeenstemming te brengen met de aan materialen gestelde eisen, anderzijds het zoeken naar geheel nieuwe materialen en deze aan de elektrotechnici voor te stellen. Wegens de grote verscheidenheid van de toepassingen worden de stoffen in het algemeen naar hun eigenschappen ingedeeld in vier groepen: magnetische materialen; diëlektrische materialen; halfgeleidermaterialen; weerstandsmaterialen. De halfgeleidermaterialen komen hoofdzakelijk in de eenkristalvorm voor; die uit de andere groepen hebben een polykristallijne structuur en worden geheel langs keramische weg gefabriceerd, ook al omdat het wegens de ingewikkelde chemische samenstelling meestal de enige manier is om tot produkten met een homogene samenstelling te komen. Door verandering van de polykristallijne structuur (poreusheid, grootte van de kristallieten) kan men de fysische eigenschappen beïnvloeden; bovendien is de vormgeving een onderdeel van de keramische techniek.
Magnetische materialen.
Van de vele soorten magnetische verschijnselen zijn in de techniek alleen het ferromagnetisme en het ferrimagnetisme van belang. In ferromagnetische stoffen zijn beneden een zekere temperatuur (de curietemperatuur Tc) de atomaire magnetische dipolen parallel georiënteerd. Ferromagnetisme komt het meest voor bij metalen en hun verbindingen en legeringen (ijzer, nikkel, kobalt enz.). In ferrimagnetische stoffen, o.a. een reeks verbindingen van ijzeroxide (Fe2O3) met andere oxiden, zijn beneden de curietemperatuur de atomaire dipolen eveneens geordend, maar zijn de dipoolmomenten groepsgewijs tegengesteld gericht. De groepen verschillen evenwel in grootte, zodat er toch een resulterende magnetisatie overblijft. Deze oxidische verbindingen (verzamelterm: ferrieten) worden genoemd naar de kristalstructuur van verwante mineralen (spinel, granaat, magnetoplumbiet, perofskiet). Hoewel de grootte van de magnetisatie M bij metalen veel meer kan bedragen dan bij ferrieten, zijn de laatstgenoemde toch van groot technisch belang dank zij de zeer veel grotere elektrische weerstand, waardoor het wervelstroomverlies wordt vermeden.
De magnetische eigenschappen van een isotroop materiaal zonder nawerking worden beschreven door de (definitie)vergelijkingen:
B = μ0(H + M)
B = μ0μrH = μH
met B de magnetische inductie, H de magnetische veldsterkte, μ0 de (magnetische) permeabiliteit van het vacuüm, en μr de relatieve (magnetische) permeabiliteit van het materiaal. Ferromagnetische materialen gedragen zich echter alle duidelijk niet-lineair, en vertonen bovendien nawerking, wat aanleiding geeft tot het verschijnsel van hysteresis (zie afb.). Tussen H en M bestaat dan geen eenwaardig verband.
Dit verschijnsel is een gevolg van het feit dat een ferromagnetisch kristal verdeeld is in zgn. weissgebieden, waarbinnen lokaal de atomaire dipolen geordend zijn, maar met een van gebied tot gebied verschillende richting. Daardoor is een kristal dat bij afwezigheid van een uitwendig veld is afgekoeld tot beneden Tc schijnbaar niet gemagnetiseerd. Door een uitwendig magnetisch veld aan te leggen waarvan men de veldsterkte H geleidelijk laat toenemen, kan men de oorspronkelijke structuur omzetten in één groot gebied waarin de dipolen alle dezelfde oriëntatie hebben. De grootte van de magnetisatie neemt daarbij toe tot de verzadigingswaarde Ms (punt 1). Deze omzetting geschiedt door twee processen: vergroting van de gunstig georiënteerde gebieden door verschuiving van de wanden ervan; en verdraaiing van de richting van de lokale magnetisatie naar de richting van het uitwendige veld. Laat men de aangelegde veldsterkte weer afnemen tot 0, dan blijft de verzadigde toestand grotendeels bestaan (punt 2). Doordat bij verlaging van de veldsterkte de magnetisatievector M terugdraait naar de voorkeursrichtingen, die in een kristal meestal voorkomen, is de remanente magnetisatie Mr kleiner dan Ms.
Men kan de magnetisatie tot 0 reduceren door middel van een tegengesteld gericht veld ter sterkte Hc, de coërcitieve veldsterkte (punt 3). Versterkt men het veld in die richting, dan wordt opnieuw een verzadigingstoestand bereikt (4), en vervolgens bij reductie van de veldsterkte tot 0 de tegengestelde remanente toestand (5).
Toepassingen.
Magnetische materialen worden toegepast als permanente magneet en voor kernen van spoelen en transformatoren.
1. Voor de toepassing als permanente magneet speelt de remanente magnetisatie een rol. Men kan bij deze toepassing nog drie facetten onderscheiden.
a. Het gebruik als magneet om een magnetisch veld op te wekken, meestal in een spleet in een overigens gesloten magnetisch circuit. Hier is in de eerste plaats de maximale waarde van de bij de remanente magnetisatie behorende inductie Br van belang. Bij een permanente magneet treedt echter steeds een ontmagnetiserend) veld HD op; de ontmagnetisering is kleiner naarmate de coërcitieve veldsterkte groter is ten opzichte van HD.
De kwaliteit van een magnetisch materiaal wordt bepaald door de maximaal bereikbare waarde van het produkt van de veldsterkte HD en de bij het desbetreffende punt op de hysteresislus behorende magnetische inductie B. Door verandering van de samenstelling en een steeds betere beheersing van de structuur van het materiaal is het produkt (BH)max voor magneetstalen (fernico, ticonal) in de loop der jaren van 5 kJ m−3 toegenomen tot ca. 50 kJ m−3; met verbindingen van elementen uit de lanthaanreeks met kobalt recentelijk is zelfs (BH)max = 200 kJ m−3. Bij de keramische materialen op basis van ferrieten met de hexagonale structuur van magnetoplumbiet zijn waarden (BH)max = 15...40kJ m−3 verwezenlijkt. Deze materialen onderscheiden zich van de metalen door een geringere magnetisatie en een veel grotere coërcitieve veldsterkte, en zijn geschikt voor toepassing in een platte vorm, gemagnetiseerd in de richting van de dikte.
b. Registratie van signalen.
Als een zodanig uitwendig veld wordt aangelegd, dat de magnetisatie de waarde Ms niet bereikt, wordt ook de remanente magnetisatie kleiner. Het materiaal leent zich daardoor ook voor de registratie van magnetische signalen. Door geluids- of beeldsignalen hierin om te zetten kan men deze registreren op banden waarop een fijn magnetisch poeder gehecht is (magnetofoonband).
c. Digitale registratie.
Door de beide toestanden van maximale remanentie (punten 2 en 5 in de afb.) als 0 en 1 te definiëren kan men het materiaal gebruiken voor digitale registratie. Een vereiste voor een zo scherp mogelijke onderscheiding van de waarden 0 en 1 is een zo goed mogelijk rechthoekige hysteresislus. Dit is tot in de perfectie bereikt bij ferrietkerntjes: kleine ringetjes van ferrieten met een spinelstructuur die door hun kleinheid met weinig energie geschakeld kunnen worden in tijden ver beneden 1 μs. Ze worden massaal toegepast in moderne computers.
2. In de toepassing als kernmateriaal voor spoelen en transformatoren wordt de kwaliteit bepaald door de waarde van μr, de wijze waarop μr afhangt van de veldsterkte, de temperatuur en de frequentie, en door de magnetische verliezen. Zowel bij ferromagnetica (metalen) als bij ferrimagnetica (ferrieten) kunnen hoge waarden van μr worden gerealiseerd. Het wervelstroomverlies beperkt de toepassing van metalen tot lage frequenties waarbij men door lamelleren dit verlies nog in belangrijke mate kan onderdrukken. De ferrieten kan men onderscheiden in ferrieten voor lage frequenties (o.a. Mn-Zn-ferrieten) die worden gekenmerkt door een grote permeabiliteit, doch waarvan de toepassing beperkt is tot het frequentiegebied beneden 5 MHz, en de groep van ferrieten voor hoge frequenties waarbij de magnetisatie voornamelijk tot stand komt doordat de lokale magnetisatievectoren draaien naar de richting van het veld. Deze draaiing kan een veel hogere frequentie volgen, waardoor deze materialen bruikbaar zijn tot ca. 100 MHz. Voor deze groep materialen bestaat een verband tussen de relatieve permeabiliteit en de maximaal mogelijke frequentie ƒr, nl. de regel van Snoek:
μrƒr = constant
Bij de hoogste frequenties zijn dus slechts lage waarden van μr mogelijk (μr = 10... 20). Materialen, waarmee deze begrenzing kan worden doorbroken (hexagonale zachte ferrieten) bevinden zich nog in het ontwikkelingsstadium.
Isolatoren en diëlektrische materialen.
Tussen isolatormaterialen en diëlektrica bestaat geen wezenlijk onderscheid; aan beide groepen wordt de eis gesteld dat de elektrische weerstand zeer groot is.
Isolatoren worden geacht te beletten dat elektrische lading in een ongewenste richting afvloeit. Zij komen voor als omhulling of als ophangmateriaal voor alle elektrische geleiders (metalen draden of staven).
Voor buigzame isolatormaterialen komen organische stoffen in aanmerking: natuur- en synthetische rubber, en allerlei andere polymere stoffen. Voor vaste isolatoren komen, vooral wanneer de sterkte van belang is, veeleer glas en porselein in aanmerking. Voorts zie Isolatiematerialen. De karakteristieke toepassing van diëlektrica is als materiaal voor condensatoren. In de oudere literatuur verstaat men onder elektrokeramiek de verschillende vormen van porselein als isolator; later is het begrip uitgebreid tot porselein, dat door andere eigenschappen (de permittiviteit ε en de hoge doorslagveldsterkte) geschikt is voor de vervaardiging van condensatoren. De technische mogelijkheid er dunne plaatjes of buisjes van te vervaardigen heeft daarbij tot verdringing van mica als condensatormateriaal geleid. De waarde van de relatieve dielektrische constante εr (ca. 6) beperkt echter de haalbare capaciteitswaarden.
Hier bieden organische kunststoffen in de vorm van zeer dunne folie (minder dan 10 μm) veel meer mogelijkheden, doordat lange banden van deze materialen voorzien van dunne lagen metaal tot rollen met een zeer klein volume kunnen worden opgewikkeld. De temperatuur begrenst duidelijk het toepassingsgebied van de organische diëlektrica; daarom hebben ook anorganische materialen met een εr van 20 en hoger steeds belangstelling ondervonden. In dit kader spelen vooral verbindingen die TiO2, ZrO2 of SnO2 bevatten een grote rol. De waarde van εr van deze oxiden zelf is al 20...100, die van hun verbindingen varieert van ca. 20 tot ver boven 1000. De kwaliteit als diëlektricum van deze stoffen hangt sterk samen met de keramische kwaliteit, met name met de aanwezigheid van poriën, aangezien absorptie van water hierin tot grote diëlektrische verliezen leidt. Bepalend voor de kwaliteit zijn verder de diëlektrische verliezen van de stoffen zelf en de temperatuurcoëfficiënt cT (de relatieve verandering van ε per graad temperatuurstijging).
Voor alle materialen met een kleine positieve of negatieve temperatuurcoëfficiënt is εr < 40. Deze materialen, die tevens weinig verliezen (tan δ < 10−3) en een hoge doorslagspanning vertonen, zijn dus van groot belang voor circuits die zeer stabiel moeten zijn. Bij andere materialen is de temperatuurcoëfficiënt des te sterker negatief naarmate εr groter is; voor εr > 100 kan men als regel hanteren:
cT ≈ − 10−5 εr. Tegelijkertijd daalt ook de doorslagveldsterkte.
Deze regel geldt echter niet voor ferro-elektrische stoffen, waarvan het gedrag in een elektrisch veld een sterke analogie vertoont met dat van ferromagnetische materialen. Beneden een bepaalde temperatuur Tc , hier eveneens curietemperatuur genoemd, treedt in kleine gebiedjes binnen de kristallen spontane elektrische polarisatie op. Door middel van een sterk elektrisch veld kunnen de polarisatievectoren van al deze gebiedjes gelijk gericht worden totdat een verzadigingstoestand is bereikt, terwijl na vermindering van de veldsterkte tot 0 een remanente polarisatie (dus in een condensator een remanente lading) achterblijft. De hysteresiskromme, die het verband geeft tussen de grootte van de polarisatie P en de elektrische veldsterkte E is volkomen analoog aan de hysteresislus van een ferromagnetisch materiaal.
Boven de curietemperatuur volgt εr de wet van Curie-Weiss:
εr = C(T − Tc)−1
waarin C veelal een waarde van ca. 1,5 × 105 heeft; T is de absolute temperatuur. Bij de ferroëlektrische overgang kan εr een (scherp) maximum van 104 of meer bereiken. Beneden de curietemperatuur varieert εr na een flinke daling minder sterk, met waarden tussen 500 en 3000. Voor toepassingen in condensatoren kan men door allerlei kunstgrepen de εr, T-kromme verder afvlakken. Door de variatie van εr zijn ondanks de hoge capaciteitswaarden condensatoren die deze materialen bevatten, veel beperkter in hun toepassingen.
Een specifiekere toepassing hebben de ferro-elektrica dank zij de piëzo-elektriciteit. In de gepolariseerde toestand heeft de kristalstructuur een polaire as. Hierdoor hebben deze stoffen de eigenschap dat onder invloed van een mechanische druk de polarisatietoestand verandert, hetgeen tot uiting komt als een elektrische spanning tussen of lading op de eindvlakken. Omgekeerd veroorzaakt een aangelegde spanning een kleine lengteverandering bij de kristallen. Deze eigenschap, eerder reeds bekend bij kwarts (niet ferro-elektrisch) en seignettezout, is bij allerlei ferro-elektrische materialen zo sterk, dat deze materialen nu op uitgebreide schaal worden toegepast in allerlei gebieden, waar gebruik gemaakt wordt van piëzo-elektriciteit (toonafnemers voor grammofoonplaten, versnellingsmeters, resonatoren, sonar enz.). Deze belangrijke groep materialen bestaat voornamelijk uit vrij ingewikkelde verbindingen met mengkristallen van BaTiO3, PbTiO3 en PbZrO3 enz.
Halfgeleiders.
Stoffen waarvan de soortelijke weerstand 10−6...106 Ωm is, worden onderverdeeld in halfgeleiders en weerstandmaterialen. Een slecht elektrisch geleidingsvermogen kan veroorzaakt worden doordat het aantal ladingdragers per volume klein is of doordat de beweeglijkheid ervan gering is. Bij halfgeleiders is het aantal ladingdragers klein doch de beweeglijkheid ervan groot; bij weerstandmaterialen is in ieder geval de beweeglijkheid klein.
In de beginperiode was monokristallijn germanium het voornaamste halfgeleidermateriaal; tegenwoordig wordt monokristallijn silicium veel meer toegepast dank zij de betere fysische en chemische eigenschappen en doordat een techniek voor de fabricage van halfgeleidercomponenten van silicium werd ontwikkeld die voor germanium niet mogelijk was. Deze voordelen wegen ruimschoots op tegen de nadelen, nl. dat de beweeglijkheid van de ladingdragers in silicium kleiner is dan in germanium, en dat silicium moeilijker te zuiveren is. Andere belangrijke halfgeleidermaterialen zijn selenium en de verbindingen GaAs en CdS.
De geleiding van de elektrische stroom wordt in de eerste plaats verzorgd door geleidingselektronen die een betrekkelijk grote mate van bewegingsvrijheid hebben. In een zuiver halfgeleidermateriaal met een perfecte kristalstructuur, een zgn. intrinsieke halfgeleider, is het aantal dezer ‘vrije’ elektronen relatief klein. Naast elektronen spelen gaten een rol, in feite open plaatsen in de elektronenstructuur die zich ook door het kristal verplaatsen en daarom in berekeningen worden behandeld, alsof het positief geladen deeltjes waren met net als de elektronen een bepaalde beweeglijkheid. Regelmatig komen elektronen ‘in een gat’ terecht (recombinatie); daarnaast ontstaan voortdurend nieuwe elektronen en gaten (generatie). Deze processen bewaren het evenwicht in het kristal; ze kosten echter tijd. Dit is van groot belang voor de toepassing van halfgeleiders. Men kan naar aanleiding hiervan het begrip levensduur van de gaten en de elektronen invoeren. De beweeglijkheid en de levensduur van de gaten en de elektronen bepalen te zamen de kwaliteit van een halfgeleider. Zowel voor een grote beweeglijkheid als voor een grote levensduur zijn een perfecte structuur en een hoge mate van zuiverheid vereist.
De eigenschappen van intrinsieke halfgeleiders zijn voor vele toepassingen onvoldoende. Men kan de eigenschappen wijzigen door tijdens de fabricage andere elementen toe te voegen en verkrijgt dan de zgn. extrinsieke halfgeleiders. Men gebruikt hiervoor elementen uit de vijfde groep van het Periodiek systeem (P, As, Sb) of uit de derde groep (B). Vijfwaardige elementen vergroten het aantal vrije elektronen en daarmee het geleidingsvermogen; daar de elektronen hoofdzakelijk de geleiding verzorgen noemt men de halfgeleider van het negatieve (n-)type. Evenzo heeft de toevoeging van een driewaardig element een vergroting van het aantal gaten tot gevolg, waardoor het geleidingsvermogen eveneens toeneemt; men noemt de halfgeleider dan van het positieve (p-)type. Voorts zie Halfgeleider.
Niet-lineaire weerstandsmaterialen.
De niet-lineaire weerstandsmaterialen zijn te onderscheiden in temperatuur-, spanning- en lichtgevoelige materialen. In wezen zijn het halfgeleiders waarvan het karakter echter sterk afwijkt van de in het voorgaande besproken halfgeleidermaterialen.
De overeenkomst is dat men de mogelijkheid tot geleiding beïnvloedt door toevoeging van nauwkeurig gedoseerde hoeveelheden donoren of acceptoren van elektronen. De tegenstelling is dat het aantal vrije ladingdragers sterk afhankelijk is van uitwendige variabele factoren zoals de temperatuur, de elektrische spanning of de belichting. Dit artikel beperkt zich verder slechts tot de temperatuurgevoelige groep: de thermistors.
Bij deze halfgeleiders is vrij veel thermische energie nodig om elektronen uit de donoren of gaten uit de acceptoren vrij te maken. Voor veel toegepaste thermistors bereid uit ijzeroxide (Fe2O3), nikkeloxide (NiO) enz. bedraagt de benodigde energie E per elektron 0,1...0,5 eV.
Aangezien voor de soortelijke geleiding σ geldt: σ = Nqμ, met N de concentratie, q de lading en μ de beweeglijkheid van de vrije ladingdragers, is σ evenals N evenredig met de factor van Boltzmann exp ( − E/(kT)), meestal geschreven als exp (−B/T). Kenmerkend is verder de zeer lage waarde van μ, in de orde van 10−5 m2 V−1 s−1. Door deze kleine waarde is het niet nodig deze stoffen in de vorm van éénkristallen toe te passen.
Voor de temperatuurcoëfficiënt cT van een uit deze materialen vervaardigde weerstand volgt: cT = −E/(kT 2) = −B/T 2. Uit de eerder genoemde waarden van E volgt dat de temperatuurcoëfficiënten bij kamertemperatuur (ca. 300 K) variëren van − 0,01... −0,05 K−1. De grote en gemakkelijk meetbare gevoeligheid voor temperatuurvariaties maakt deze thermistors zeer geschikt voor meting en regeling van de temperatuur. Daar cT negatief is noemt men deze groep NTC-thermistors.
Er bestaan ook PTC-thermistors, waarvan de temperatuurcoëfficiënt van de weerstand positief is. Men vindt deze eigenschap bij ferro-elektrica die door toevoeging van geringe hoeveelheden ‘vreemde’ stoffen tot halfgeleiders zijn gemaakt. In zuivere toestand zijn het in principe ook NTC-thermistors. Het blijkt echter, dat in deze materialen in een zwak poreuze keramische vorm weerstandsbarrières ontstaan op de grenzen van kristallieten doordat zuurstof wordt opgenomen. Door een ingewikkelde samenhang van deze barrières met de ferro-elektrische eigenschappen van de stof neemt bij verwarming boven de curietemperatuur de weerstand sterk toe. Naar gelang de samenstelling en de bereidingswijze van het materiaal kan deze stijging scherper of flauwer verlopen; uiteindelijk kan de weerstand met een factor 102...105 vergroot worden! Omdat men bovendien de curietemperatuur kan variëren, bieden ook de PTC-thermistors vele mogelijkheden voor meet-, regel- en beveiligingsdoeleinden.