Энергетические характеристики человека.

Энергетические расходные характеристики электрических станций строятся при наличии энергетических характеристик цехов соответствующих определенному сочетанию работы агрегатов внутри цеха и при условии соблюдения определенного технического минимума и максимума нагрузки на станции.

В основу расчета положен метод энергетического баланса, т.е. равенство полезной мощности предыдущей ступени и подведенной мощности последующей ступени.

Экономичность работы электростанции в целом оценивается на основе энергетической характеристики станции нетто, учитывающей расход энергии на собственные нужды.

Характеристика электростанции строится путем объединения характеристик цехов:

Имея графическое изображение всех цеховых характеристик, можно построить характеристику станции. При построении этой характеристики обязательно выявляются точки излома всех характеристик, поэтому целесообразнее построение
начинать с точек излома цеховых характеристик.

Графическое изображение расходной характеристики электростанции может быть использовано только для определенного состава работающего оборудования.

В реальных условиях эксплуатации состав работающего оборудования в каждой фазе производства не остается постоянным. Кроме того, изменяются и условия эксплуатации (качество топлива, величина вакуума и т.д.).

Работать с графиком в оперативном режиме трудно. Поэтому используют алгоритмы построения этой характеристики, разрабатывают соответствующие программы и используют их в ПЭВМ.

Еще более осложняется построение энергетических характеристик ТЭЦ, имеющей переменный режим тепловых нагрузок. В этом случае необходимо строить семейство характеристик для последовательных значений тепловой нагрузки.

Энергетические характеристики ГЭС.

Для характеристики работы ГЭС анализируют несколько видов энергетических характеристик.

Н– напор при постоянном расходе воды

Групповая характеристика.

Обычно на ГЭС устанавливаются одинаковые агрегаты (имеющие одинаковые расходные характеристики). Поэтому групповые характеристики для агрегатов ГЭС строятся путем сложения ординат отдельных характеристик.

Экономическая оптимизация

режимов работы энергосистемы.

При совместной работе электрических станций ставится задача достижения наибольшей экономичности в энергосистеме в целом. Для этого суммарная нагрузка энергосистемы распределяется между электростанциями либо по min относительных приростов (если характеристики прямолинейные), либо по равенству относительных приростов (если характеристики криволинейные).

Могут быть два метода решения: графический и табличный.

Если характеристики криволинейные, то нагрузка распределяется по принципу равенства относительных приростов.

Табличный способ.

В энергосистеме имеется пять электростанций.

Если нагрузка находится между
диспетчер смотрит какая станция сможет принять дополнительную нагрузку.

Зная величины относительных приростов можно составить либо графическим способом, либо табличным расходную энергетическую характеристику в целом по энергосистеме.

Использование расходной энергетической характеристики по энергосистеме связано с учетом ряда ограничивающих условий:

При распределении нагрузки между электростанциями необходимо учитывать не только величину относительного прироста, но и цену топлива, которое

расходуется на каждой станции. Распределять нагрузку необходимо не по minimumu , а по.
т.е. поminили равенству топливной составляющей себестоимости (
).

2. Необходимо учитывать складывающийся топливно-энергетический баланс, по которому на некоторый период станция вынуждена сжигать тот или иной вид топлива (сжигание попутного газа, сжигание бурых углей из старых запасов, коксового газа и т.п.)

3. Необходимо учитывать наличие в энергосистеме ГЭС наряду с ТЭС.

В этом случае вводится понятие топливной эффективности ГЭС

– относительный прирост ГЭС по усл. топливу.

– дают метеорологи в январе на следующий год.

4. Необходимо учитывать эффект у потребителя, т.е. прирост относительных потерь в сетях, приходящихся на каждый кВт передаваемой мощности.

– относительные потери.

5. Необходимо учитывать покрытие потерь реактивной нагрузки. Для этого используются компенсирующие устройства у потребителей или генераторы на станциях. Распределение реактивной нагрузки происходит по max относительных приростов, т.е. загружаются в первую очередь станции с малоэкономичными агрегатами и находящиеся в центре реактивной нагрузки.

6. Необходимо учитывать перетоки электроэнергии и мощности из одной энергосистемы в другую.

I– экономия получается в целом по энергообъединению при перетоках энергии и мощности из более экономичной энергосистемы в менее (эффект за счет разности
).

II– дополнительные потери, которые получаются при передаче. Снижают экономическую эффективность перетока.

III– результирующая кривая.

С течением времени
будет увеличиваться, а
– уменьшаться (отключение менее экономичных агрегатов).

“Энергетические характеристики электростанций и агрегатов

Энергетические характеристики используются для оценки режимов в технических и экономических задачах

Универсальная энергетическая характеристика

В таком виде могут представляться характеристики котлов, турбин, генераторов, трансформаторов, двигателей..
Характеристика может быть преобразована к другому виду показателей:
абсолютных,
относительных,
диффренциальных.

Удельные показатели

Применяются два вида относительных показатели:
· удельный расход первичного ресурса (подведенной мощности) на полезную мощность
руд = Рподв/ Рпол,
·удельный расход полезной мощности на подведенную мощность. Это кпд
 =Рпол /Рподв.
· Из дифференциальных широко применяется показатель приращения подведенной мощности к приращению полезной рдиф = ΔРподв/ ΔРпол.

Вид и взаимосвязи различных характеристик

Расходные характеристики электростанций в абсолютных показателях

Основные абсолютные показатели: полезная мощность Р, подведенная мощность Рподв. Подведенная мощность прямо пропорциональна расходу энергоресурса: топлива В, воды Q, пара D, теплоты QТЭС. Для ГЭС при постоянном напоре Н подведенная мощность
N=9,81 HQ,
Полезная мощность
N=9,81 HQ ,
Для ТЭС подведенная мощность, МВт, пропорциональна расходу условного топлива:
Pптэс=8,14B

Характеристики в относительных показателях

Рабочие характеристики- характеристики КПД.
Удельные характеристики,.
bуд=B(гут)/P,
qуд=Q(куб.м/с)/P
Отметим, что точка минимума удельного расхода энергоресурса соответствует точке максимума КПД
Дифференциальные характеристики
Эти характеристики называют еще характеристиками относительных приростов.
Это приращение энергоресурса на приращение мощности

Энергетические характеристики в руб

В настоящее время при коммерческих отношениях на рынке и при оптимизации режима станций внутри самой системы необходимо использовать затраты на топливо. Это требует учета цен на топливо различных станций. Для этого осуществляется пересчет ординат энергетических характеристик. Форма характеристик при этом сохраняется. Показатели характеристик будут иметь вид:
· расход натурального топлива пересчитывается в издержки на топливо - Ив = цВ, руб (ц, руб/тонну натурального топлива),
· удельные расходы топлива пересчитываются в удельные издержки на топливо - Вц/P , руб/МВтч,
· относительные приросты ΔВц/ΔР, руб МВт.

Характеристики ТЭС

Имеются характеристики котлов, турбин, блоков, станции
Электрическая мощность – Рген=Рподв- ΔРкотл-ΔР турб- ΔР ген
КПД – η агр= ηген ηтур ηкотл
Удельный расход топлива – bудагр=bудкотлbудтурбbудген;
Относительный прирост - bудагр=bкотлbтурбbген

Вид характеристик агрегатов ТЭС

Котел
а-расходная
в-дифференциалная
Турбина
расходная,
дифференциальная
Генератор

Расходная характеристика блока и станции

Схематичная характеристика ТЭЦ

Диаграмма режимов представляет совокупность характеристик расхода пара или тепла турбоагрегатом при различных отборах пара на производственные и теплофикационные нужды.
Нижняя кривая соответствует уловию, когда отбор пара нет. Это конденсационный режим. При увеличении отбора характеристика турбины перемещается параллельно самой себе.

Вид диаграммы режимов турбоагрегата с производственным и теплофикационным отбором пара

Характеристики ГЭС

Расходная
Дифференциальная
Натурные дифференциальные

Характеристики гидроагрегатов обычно представляются изолиниями для постоянных напоров. На расходной характеристике даются изолинии Q (Р) для Н = const, на дифференциальной - изолинии q Натурные характеристики гидроагрегатов часто имеют более сложную форму

Характеристики других станций

Максимальное значение к. п. д. ГТУ соответствует номинальной мощности и равно примерно 30%. Удельные расходы ГТУ значительно превосходят средние значения показателей современных КЭС. Экономичность работы ГТУ существенно ухудшается при снижении ее нагрузки и при увеличении температуры наружного воздуха. Например, для ГТУ – 100 – 750 -2 при номинальной мощности, удельный расход равен 430 г/Квтч, что в 1,25 раза выше, чем на КЭС, а при снижении мощности до 30% номинальной величина повышается до 720 г/ Квтч.

Агрегаты АЭС на тепловых нейтронах в небольших пределах могут регулировать нагрузку. Однако при этом резко снижается их надежность, и в настоящее время они в основном предназначены для базовой зоны графика нагрузки.

Способы получения характеристик

Паспортные характеристики. Даются заводом изготовителем.Их погрешности достигают 10%
Натурные характеристики. Получаются в результате специального эксперимента в натуре. Погрешности до 5 %
Характеристики, получаемые в АСУ ТП Требуется непрерывное измерение многих параметров. Погрешности примерно 2%.

Характеристики, получаемые в АСУ ТП

Для ГЭС нет надежных способов измерения расхода воды.
Для ТЭС расход топлива определяется косвенно по ем параметрам, которые можно замерить.
Схема получения характеристики
-Измеряют непрерывно 5-7значимых параметров.
-Подбирают аппроксимирующую функцию.
-Параметры функции непрерывно уточняются по новым замерам.

Пример построения характеристики энергоблока в АСУ ТП

Из 200 измеряетмых параметров выбирают 7.
Информация вводится в ЭВМ каждые 15с.Проверяется достоверность измерений.
Данные осредняются за 15 мин.
По известной аппроксимирующей функции рассчитывается расход топлива
Уточняется характеристика

Статистические характеристики

Строятся по данным учета ТЭП
Для расчетов используются те характеристики, которые имеются на станции
Статистические характеристики учитывают изменение режима во времени

Заключение

Характеристики агрегатов являются важнейшей исходной информацией
В режимных задачах используются характеристики различного вида.
В настоящее время еще не решен полностью вопрос получения качественных характеристик.
Наиболее достоверные характеристики получают в АСУ ТП.
Приходится использовать паспортные или экспериментальные характеристики. Их погрешности составляют 5 –10%.
Многие режимные параметры приобрели свойства товара и на цены влияют погрешности характеристик.

Объемная плотность энергии (\¥ р) - энергия колебательного движения частиц среды, содержащихся в единице ее объема:

Где ρ - плотность среды, А - амплитуда колебаний частиц, ω - частота волны.

При распространении волны энергия, сообщаемая источником, переносится в удаленные области.

Для количественного описания переноса энергии вводят следующие величины.

Поток энергии (Ф) - величина, равная энергии, переносимой волной через данную поверхность за единицу времени:

Интенсивность волны или плотность потока энергии (I) - величина, равная потоку энергии, переносимой волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны:

Можно показать, что интенсивность волны равна произведению скорости ее распространения на объемную плотность энергии

2.5. Некоторые специальные разновидности

Волн

1. Ударные волны. При распространении звуковых волн скорость колебания частиц не превышает нескольких см/с, т.е. она в сотни раз меньше скорости волны. При сильных возмущениях (взрыв, движение тел со сверхзвуковой скоростью, мощный электрических разряд) скорость колеблющихся частиц среды может стать сравнимой со скоростью звука. При этом возникает эффект, называемый ударной волной.

При взрыве нагретые до высоких температур продукты, обладающие большой плотностью, расширяются и сжимают тонкий слой окружающего воздуха.

Ударная волна - распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит скачкообразное возрастание давления, плотности и скорости движения вещества.

Ударная волна может обладать значительной энергией. Так, при ядерном взрыве на образование ударной волны в окружающей среде затрачивается около 50 % всей энергии взрыва. Ударная волна, достигая объектов, способна вызвать разрушения.

2. Поверхностные волны. Наряду с объемными волнами в сплошных средах при наличии протяженных границ могут существовать волны, локализованные вблизи границ, которые играют роль волноводов. Таковы, в частности, поверхностные волны в жидкости и упругой среде, открытые английским физиком В. Стреттом (лордом Релеем) в 90-х годах 19 века. В идеальном случае волны Релея распространяются вдоль границы полупространства, экспоненциально затухая в поперечном направлении. В результате поверхностные волны локализуют энергию возмущений, созданных на поверхности, в сравнительно узком приповерхностном слое.

Поверхностные волны - волны, которые распространяются вдоль свободной поверхности тела или вдоль границы тела с другими средами и быстро затухают при удалении от границы.

Примером таких волн могут служить волны в земной коре (сейсмические волны). Глубина проникновения поверхностных волн составляет несколько длин волн. На глубине, равной длине волны λ, объемная плотность энергии волны составляет приблизительно 0,05 ее объемной плотности на поверхности. Амплитуда смещения быстро убывает при удалении от поверхности и на глубине нескольких длин волн практически исчезает.

3. Волны возбуждения в активных средах.

Активно возбудимая, или активная, среда - непрерывная среда, состоящая из большого числа элементов, каждый из которых обладает запасом энергии.

При этом каждый элемент может находиться в одном из трех состояний: 1 - возбуждение, 2 - рефрактерность (невозбудимость в течение определенного времени после возбуждения), 3 - покой. В возбуждение могут перейти элементы только из состояния покоя. Волны возбуждения в активных средах называют автоволнами. Автоволны - это самоподдерживающиеся волны в активной среде, сохраняющие свои характеристики постоянными за счет распределенных в среде источников энергии.

Характеристики автоволны - период, длина волны, скорость распространения, амплитуда и форма - в установившемся режиме зависят только от локальных свойств среды и не зависят от начальных условий. В табл. 2.2 представлено сходство и различие автоволн и обычных механических волн.

Автоволны можно сопоставить с распространением пожара в степи. Пламя распространяется по области с распределенными запасами энергии (по сухой траве). Каждый последующий элемент (сухая травинка) зажигается от предыдущего. И таким образом распространяется фронт волны возбуждения (пламя) по активной среде (сухой траве). При встрече двух очагов пожара пламя исчезает, так как исчерпаны запасы энергии - вся трава выгорела.

Описание процессов распространения автоволн в активных средах используется при изучении распространения потенциалов действия по нервным и мышечным волокнам.

Таблица 2.2. Сравнение автоволн и обычных механических волн

Распространение колебаний из одного места в другое называется волновым движением, или просто волной .

Механические волны образуются вследствие простых гармонических колебаний частиц среды от их среднего положения. Вещество среды не перемещается при этом из одного места в другое. Но частицы среды, передающие друг другу энергию, необходимы для распространения механических волн.

Таким образом, механическая волна является возмущением материальной среды, которое проходит эту среду с определенной скоростью, не изменяя своей формы.

Если в воду бросить камень, от места возмущения среды побежит одиночная волна. Однако волны иногда могут быть периодическими. Например, вибрирующий камертон производит попеременные сжатия и разрежения окружающего его воздуха. Эти возмущения, воспринимаемые как звук, происходят периодически с частотой колебаний камертона.

Существуют механические волны двух видов.

(1) Поперечная волна . Этот вид волн характеризуется вибрацией частиц среды под прямым углом к направлению распространения волны. Поперечные механические волны могут возникать только в твердых веществах и на поверхности жидкостей.

В поперечной волне все частицы среды осуществляют простое гармоническое колебание возле своих средних положений. Положение максимального смещения вверх называется "пиком ", а положение максимального смещения вниз - "впадиной ". Расстояние между двумя последующими пиками или впадинами называется длиной поперечной волны λ.

(2) Продольная волна . Этот вид волн характеризуется колебаниями частиц среды вдоль направления распространения волны. Продольные волны могут распространяться в жидкостях, газах и твердых телах.

В продольной волне все частицы среды также осуществляют простое гармоническое колебание около их среднего положения. В некоторых местах частицы среды расположены ближе, а в других местах - дальше, чем в нормальном состоянии.

Места, где частицы расположены близко, называются областями сжатия , а места где они находятся далеко друг от друга - областями разрежения . Расстояние между двумя последовательными сжатиями или разрежениями называются длиной продольной волны.

Выделяют следующие характеристики волн .

(1) Амплитуда - максимальное смещение колеблющейся частицы среды от ее положения равновесия (A ).

(2) Период – время, необходимое частице для одного полного колебания (T ).

(3) Частота - количество колебаний, произведенных частицей среды, за единицу времени (ν). Между частотой волны и ее периодом существует обратная зависимость: ν = 1/T .

(4) Фаза колеблющейся частицы в любой момент определяет ее положение и направление движения в данный момент. Фаза представляет собой часть длины волны или периода времени.

(5) Скорость волны является скоростью распространения в пространстве пика волны (v).

Совокупность частиц среды, колеблющихся в одинаковой фазе, формирует фронт волны. С этой точки зрения, волны делятся на два вида.

(1) Если источник волны является точкой, из которой она распространяется во всех направлениях, то образуется сферическая волна .

(2) Если источник волны колеблющаяся плоская поверхность, то образуетсяплоская волна .

Смещение частиц плоской волны можно описать общим уравнением для всех типов волнового движения: S = A·sin ω · (t - x/v) (10)

Это означает, что величина смещения (S ) для каждой значения времени (t ) и расстояния от источника волны (x ) зависит от амплитуды колебания (A ), угловой частоты (ω ) и скорости волны (v).

Основными энергетическими параметрами установок на основе ВИЭ, имеющими наиболее существенное значение для потребителя, являются: установленная мощность станции (установки) 7VycT и объем произведенной энергии за год Эг. При обосновании и проектировании энергетических установок, использующих ВИЭ кроме отмеченных, необходимы показатели, определяющие режимы работы энергоустановки, характеристики прихода энергии, характеристики рельефа и подстилающей поверхности местности, параметры воздействия на окружающую среду.

Определение основных энергетических параметров гидроэлектростанций.

Для работы гидроэлектростанции необходим расход воды Q и перепад уровней, т.е. напор Н. Полностью использовать мощность водотока на ГЭС невозможно, она будет меньше за счет гидравлических потерь энергии в подводящих и отводящих сооружениях, потерь в самих турбинах, а также потерь энергии при трансформации механической энергии вращения вала в электрическую энергии в генераторе.

В главе 2 были рассмотрены три основные схемы использования водной энергии: плотинная, деривационная и плотинно деривационная. Создаваемый в этих схемах напор, равный разности отметок уровней верхнего VBE и нижнего УНБ бьефов называется геометрическим или статическим напором Нст.

Энергия, получаемая рабочим колесом от водного потока, будет равна разности удельных энергий на входе в рабочее колеса С-С и на выходе из него К-К. Эта величина представляет собой рабочий напор турбины Н, Он меньше напора брутто на величину гидравлических потерь в водопроводящем тракте с, вызванных действием в потоке сил сопротивления. Данная величина выражает усредненную потерю удельной механической энергии между сечениями В-В и С-С и состоит из гидравлических потерь на трение (по длине водопроводящего тракта) и местных потерь. Следовательно, рабочий напор будет равен Н =H6-hc. р

Скорость воды перед водоприемником и в выходном сечении нижнего бьефа невелики и разностью кинетических энергий в этих сечениях для практических расчетов можно пренебречь. Тогда, для практических расчетов рабочий или полезный напор турбины выражают формулой:

Расход ГЭС, или зарегулированный расход, определяется видом регулирования стока реки с помощью водохранилища. Длительное регулирование (годичное, многолетнее) производится с целью выравнивания неравномерности речного стока в разрезе года или ряда лет. Краткосрочное (недельное или суточное) регулирование осуществляется для перерегулирования равномерного недельного или суточного расхода воды в реке в соответствии с неравномерностью потребления энергии в течение недели или суток различными потребителями.

Определение основных энергетических параметров ветроэнергетических установок.

Для ветроэнергетических установок важнейшими параметрами являются: мощность ВЭУ, диаметр ротора ветроколеса, коэффициент использования мощности, тип и параметры генератора и рабочая характеристика ВЭУ.

Важным показателем является коэффициент использования мощности кис„. Строго говоря, коэффициент использования (кисп) должен учитывать также простой ВЭУ по техническим причинам - профилактика, ремонты, которые несколько снижают величину кис„. Однако, если техническое обслуживание ВЭУ проводится в периоды штилей и энергетических затиший, когда скорость ветра и

Для выполнения расчета обеспеченности мощности ветроагрегатов необходимы рабочая характеристика ВЭУ и распределение скорости ветра на высоте оси ротора.

Для подсчета мощности и выработки энергии ветроагрегатом используются данные наблюдений за скоростями ветра, имеющиеся в местных центрах гидрометеорологических наблюдений. Эти данные могут быть пересчитаны и представлены в виде кривой обеспеченности. Пример представлен на рис. 3.9.

Используя формулу, приведенную выше, подсчитывают мощности ветрового потока и строят график обеспеченности его мощности. Площадь графика представляет собой годовую энергию ветра.

При определении основных энергетических параметров определенного ВЭУ кроме ветровых данных о ветропотенциале необходима рабочая характеристика этого ветроагрегата. Общий вид характеристик представлен на рис. 3.10. Из них видно, что различные типы ВЭУ имеют разные мощности, а кроме того, ветроагрегаты отличаются начальной, номинальной и максимальной скоростями ветра.

По кривой обеспеченности ветра для данной местности и рабочей характеристике конкретного ВЭУ, рассчитывают график обеспеченности мощности этого ветроагрегата (рис. 3.11).

На выработку электроэнергии ветроагрегатами, а следовательно, и на их экономическую эффективность, существенное влияние оказывают:

Ветровые характеристики местности;

Применяемый тип ВЭУ и его конструктивное исполнение;

Рабочая характеристика ветроагрегата;

Используемое электрическое оборудование ВЭУ.

Определение параметров солнечных энергоустановок Фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии представляют из себя фотоэлементы, действие которых основано на фотоэффекте в полупроводниковых структурах с р-n переходами, где происходит непосредственное преобразование солнечного света в электрический ток.

Эквивалентная схема солнечной батареи, как источника электропитания может быть представлена в виде, показанном на рис. 3.12.

В работах Н.С. Лидоренко, Ж.И Алферова, В.М Андреева, В.А. Грилихеса, М.М Колтуна, В.Д Румянцева, М.Б Кагана и др., посвященных теории и экспериментальному исследованию свойств солнечных элементов (СЭ) показано, что вольтамперная характеристика (ВАХ) СЭ отличается от ВАХ полупроводникового диода появлением члена 1ф, обозначающего собой ток, генерируемый элементом под действием освещения, часть которого 1дь течет через диод, а другая - через нагрузку:

Коэффициент полезного действия солнечного элемента в основном зависит от температуры, которая может достигать больших значений при использовании фокусирующих систем или при работе в космическом пространстве. В наземных условиях и при применен™ бесконцентраторных фотоэлектрических панелей температура элемента изменяется в небольшом диапазоне, что не существенно влияет на его КПД. Однако, например в условиях жаркого климата (в Африке, Индии и др. приэкваториальных странах) температура может сильно отличаться от эталонных. В этом случае КПД солнечного элемента может быть определен по формуле:

Значения достигнутых в настоящее время к.п.д, солнечных элементов различных типов приведены на рис. 2.19.

Работа солнечных батарей в наземных условиях происходит при переменной плотности радиации, поступление которой определяется суточным ходом, метеоусловиями прозрачностью атмосферы. Отметим, что изменение мощности батареи происходит в основном за счет изменения тока солнечной батареи. Анализируя зависимости основных параметров СБ от уровня радиации рис. 3.14, можно установить, что с ростом интенсивности солнечных лучей, падающих на её поверхность, линейно растут ток /„ и мощность P0„nJt при этом напряжение Uonm изменяется в узком пределе изменения интенсивности. Однако этот закон сохраняется лишь при сравнительно высоких значениях Е, в противном случае, при низких Е (Е

Определение параметров теплового коллектора солнечной энергии. Выполнение теплового расчета коллектора и солнечной системы теплоснабжения в целом представляет определенные трудности из-за необходимости учета влияния случайных колебаний климатических параметров и сложного характера взаимодействия между элементами системы. Поэтому обычно используются инженерные методы, которые дают возможность получить приемлемые характеристики проектируемой системы.

Упрощенный метод расчета солнечной установки отопления и горячего водоснабжения здания заключается в определении, прежде всего, площади поверхности коллектора солнечной энергии SCK

Тепловая мощность (Вт) плоского коллектора солнечной энергии (КСЭ) определяется как:

План

Лекция 13

1. Свойства пленок алюминия

2. Методы получения металлических пленок

3. Создание омических контактов к ИС

К системам металлизации ИС предъявляются следующие требования:

Высокая проводимость (r < 10 –6 Ом×см);

Хорошая адгезия как к Si, так и к SiO 2 ;

Способность к образованию качественного омического контакта с кремнием n- и p-типов;

Отсутствие вредных интерметаллических соединений или протекания реакций, разрушающих кремний в процессе обработки и эксплуатации системы;

Технологичность методов осаждения и нанесения рисунков;

Устойчивость к электродиффузии в металле;

Металлургическая совместимость со сплавами, которые применяются для присоединения внешних проводов к металлизированной схеме.

Наиболее удобным, простым в изготовлении и дешевым материалом для металлизации ИМС является алюминий, который обычно наносят методом испарения в вакууме.

Свойства пленок алюминия

Конкретные свойства пленок алюминия зависят от целого ряда условий, таких как чистота испаряемого материала, давление в вакуумной системе, скорость напыления, температура подложки и др. Пленки, нанесенные на аморфную поверхность SiO 2 термически окисленных пластин кремния, являются поликристаллическими с некоторой тенденцией к определенной ориентации кристаллитов. После напыления пленки имеют зеркально-гладкую поверхность.

Удельное сопротивление напыленной пленки алюминия толщиной 1 мкм составляет около 3×10 –6 Ом×см, т.е. всего на 10 - 20 % больше, чем объемное удельное сопротивление чистого алюминия. Широкое использование пленок алюминия для металлизации в интегральных схемах обусловлено: высокой электропроводностью, близкой к электропроводности объемного алюминия; легкостью испарения в вакууме и чистотой испаряемой пленки.

Алюминий имеет относительно низкую температуру испарения, и поэтому вероятность загрязнения напыленной пленки примесями из вакуумной камеры и испарителя должна быть небольшой по сравнению с металлами, имеющими более высокую температуру испарения.

Хорошая адгезия к кремнию и окислам дает возможность изготовления однослойной металлизации, что значительно упрощает технологию производства и уменьшает стоимость ИМС. Алюминиевые пленки не отслаиваются из-за плохой адгезии, как золото или молибден. Алюминий образует низкоомный контакт с кремнием n- и p-типа. Контактные площадки на пластине кремния всегда покрыты слоем естественного окисла SiO 2 . Алюминий реагирует с SiO 2 , поскольку может образовывать окислы с большой отрицательной свободной энергией.
В результате между кремнием и алюминием создается низкоомный контакт. Скорости этой реакции и диффузии кремния в алюминий очень высоки, так что для получения низкоомного контакта достаточно прогреть образец при температуре 550 °С в течение всего лишь нескольких минут.

Алюминий пластичен и стоек к циклическим изменениям температуры. Низкая температура подложки при его напылении (120 - 160 °С) и отжиге (~200 °С) позволяет получить пленки с низкими механическими напряжениями вследствие малой разницы ТКР при уменьшении температуры до комнатной. Алюминий устойчив к окисляющему воздействию атмосферы, легко обрабатывается методами фотолитографии для получения необходимой конфигурации контактов и межсоединений в ИМС, причем в таких травителях, которые не действуют на кремний или SiO 2 .

Алюминий образует прочные контакты при креплении золотой или алюминиевой проволоки к его пленке методами термокомпрессии. Его можно использовать в схемах, устойчивых к воздействию радиации.

Однако наряду с положительными свойствами, алюминий имеет ряд недостатков, которые ограничивают использование его для металлизации. К ним относятся:

Мягкость и, следовательно, легкость повреждения алюминиевой пленки;

Появление пустот в пленке вследствие электродиффузии при меньших, чем для других металлов, плотностях тока;

Возможность короткого замыкания через диэлектрическую пленку в системах с несколькими уровнями металлизации из-за образования выступов при электродиффузии или низкотемпературной рекристаллизации пленок;

Возникновение коррозии вследствие гальванического эффекта при одновременном использовании других металлов;

Взаимодействие с SiO 2 при низких температурах (начиная от комнатной и выше), что может приводить к нестабильности, особенно в МДП интегральных схемах;

Способность образовывать хрупкие соединения с золотом, что может снижать электропроводность и приводить к отказам в случае термокомпрессионного крепления выводов.

Защита алюминиевой пленки от механических повреждений практически осуществляется нанесением поверх металла диэлектрического слоя. Такое покрытие служит одновременно для предохранения близко расположенных токонесущих полосок от коррозии, электролитической или химической, и от закорачивания проводящих полосок какими-либо посторонними частицами.

При травлении окон в диэлектрике (обычно SiO 2) скорость травления диэлектрика должна быть значительно большей, чем скорость травления алюминия, иначе можно повредить алюминиевую пленку вследствие существования в ИС локальных положительных потенциалов. Для систем, содержащих слои золота, эта проблема не возникает. В случае подсоединения золотых проволочек к пленке алюминия методом термокомпрессионной сварки возможно образование интерметаллических соединений, что приводит к уменьшению надежности аппаратуры. Однако при относительно низких температурах и умеренных нагрузках такой метод соединения оказывается вполне надежным. Проблему образования интерметаллических соединений на границе золото - алюминий полностью решает использование ультразвуковой сварки золотых проводников с пленкой алюминия. Для исключения взаимодействия золотой проволоки с алюминием при одновременном сохранении преимуществ контакта алюминия с кремнием часто между золотом и алюминием наносят дополнительную металлическую пленку, например молибденовую или танталовую.

Электродиффузия в пленках алюминия

Электродиффузия - это явление переноса вещества в металлах при высоких плотностях тока. В пленках алюминия, применяющихся для металлизации ИМС, электродиффузия приводит к разрыву алюминиевого проводника вследствие образования пустот (пор) из-за скопления вакансий в алюминии.

В сплошном металлическом проводнике на термически возбужденный ион металла в узле решетки действуют две силы: одна направлена навстречу электронному потоку при приложении к проводнику электрического поля, другая действует по направлению электронного потока и появляется за счет обмена импульсами между электронами проводимости и возбужденными ионами металла при столкновениях ("электронный ветер").

Вследствие экранирующего влияния электронов сила, с которой электрическое поле действует на ион, весьма невелика, поэтому преобладающей является сила "электронного ветра". В результате этого возбужденные ионы металла, приходящие в вакансию в направлении потока электрона, имеют более высокую вероятность заполнения вакансии, чем окружающие ее близлежащие ионы. Следовательно, ионы металла перемещаются к положительно заряженному концу проводника, а вакансии - к отрицательному. Вакансии скапливаются на отрицательном полюсе (коагулируют) в виде пустот, тогда как ионы на положительных концах образуют кристаллы, усы и холмики. Большое количество пустот приводит к разрыву электрической цепи в пленках алюминия. Поверхностные царапины на металлических проводниках ведут себя как вакансии, причем наблюдается их движение по поверхности проводника в направлении отрицательно заряженного конца. Поэтому скорость переноса вещества зависит от структуры пленок алюминия.

В мелкозернистых пленках алюминия, полученных осаждением в вакууме на холодные подложки, преобладают диффузия по границам зерен и поверхностная диффузия. Вследствие этого энергия активации в таких пленках низка и составляет 0,48 эВ (энергия активации при самодиффузии в объемном алюминии равна 1,4 эВ). В хорошо упорядоченных крупнозернистых пленках, осажденных на горячие подложки, энергия активации определяется в основном поверхностной диффузией и составляет 0,84 эВ. Это связано с уменьшением границ зерен и соответственно с высоким коэффициентом самодиффузии. Если крупнозернистую пленку покрыть слоем кварцевого стекла, то поверхностная диффузия уменьшается, а энергия активации увеличивается до 1,2 эВ, т.е. приближается к значению для объемного алюминия. При температуре 275 °С и выше объемная диффузия преобладает над диффузией по границам зерен и поверхностной диффузией, поэтому влияние структуры несущественно. Однако при температуре ниже 275 °С долговечность ИМС можно повысить на несколько порядков путем применения хорошо упорядоченных крупнозернистых пленок, особенно, если они покрыты пленкой стекла.

Методы получения металлических пленок

Общие требования к тонким токопроводящим пленкам - равномерность толщины пленки, однородность ее структуры, надежное сцепление (адгезия) с подложкой и другими материалами, с которыми она контактирует.

Основными методами осаждения тонких пленок являются: вакуумное испарение (напыление) с косвенным подогревом; ионно-плазменное распыление; осаждение из газовой фазы с помощью газотранспортных реакций; восстановление в атмосфере водорода и термохимическое разложение. Выбор того или иного метода зависит от природы осаждаемого материала, материала подложки, структуры (аморфная, поликристаллическая, монокристаллическая) и толщины пленки.

Наиболее распространенным методом является вакуумное испарение. Оно дает возможность получать пленки, удовлетворяющие многим требованиям. Преимущества этого метода: удовлетворительная воспроизводимость свойств пленок за счет высокой чистоты при осаждении; хорошая адгезия к подложке, особенно при нагревании подложек; возможность контроля толщины пленок с точностью до нескольких мономолекулярных слоев в процессе осаждения. Этот метод позволяет наносить пленки различного назначения в одной установке, в едином технологическом цикле. К недостаткам вакуумного метода следует отнести проблему отвода тепла, необходимость охлаждения аппаратуры, сложность очистки подложек перед напылением для хорошего сцепления с ними пленок.

Пленки тугоплавких металлов (Ta, W, Mo и др.) можно осаждать ионно-плазменным (катодным) распылением. В атмосфере активного газа (O 2 , N 2 и др.) распылением соответствующего металла можно изготавливать и диэлектрические пленки (окислы, нитриды металлов), однако в этом случае трудно предотвратить поглощение остаточных газов пленкой в процессе ее формирования из-за относительно высокого давления газа (10 –2 - 10 –1 мм рт.ст).

Осаждение из газовой фазы позволяет получать высококачественные пленки, однако этот метод предполагает наличие сильных агрессивных сред, которые могут вступать во взаимодействие с кремнием или диэлектрическими пленками на его поверхности. Вследствие этого осаждение металлов из газовой фазы применяется редко.

В настоящее время наиболее широкое распространение при нанесении металлических пленок получил метод ионно-плазменного распыления с помощью магнетронных распылительных систем - устройств для генерирования плазмы.

В методе магнетронного распыления используются скрещенные магнитное и электрическое поля, повышающие эффективность ионизации рабочего газа и, следовательно, плотность плазмы.

Магнетрон представляет собой двухэлектродную систему, в которой распыляемый материал является катодом. Наиболее часто используются две основные электродные системы: с кольцевым (коническим) катодом, называемым S-пушкой (рис.5.1,а), и планарная (рис.5.1,б). Во всех случаях линии магнитного поля перпендикулярны линиям электрического поля и проходят через поверхность катода. При этом создается плотная плазма низкого давления, локализованная над нужным участком поверхности катода, с которой и производится распыление. Скорость распыления при использовании конического магнетрона пропорциональна косинусу угла между направлением пучка распыляемого материала и нормалью к подложке. Для увеличения производительности этого метода может использоваться планетарная система расположения подложек относительно источника распыляемого материала. В планарном магнетроне пластины помещаются на плоскости перед магнетроном, причем источник может иметь изменяющиеся размеры, так что возможно значительное увеличение производительности устройства.

Использование магнетронного распыления позволяет проводить нанесение металла с высокой скоростью. При этом напряжение магнетронных источников обычно ниже, чем электронно-лучевых устройств, следовательно, они генерируют меньшее проникающее излучение. Скорость осаждения может регулироваться расстоянием между источником и подложкой и достигать 1 мкм/мин при осаждении алюминия или его сплавов.

Установки магнетронного типа обычно оснащены микропроцессорными системами управления, которые действуют по заданным программам. Системы управления позволяют проводить корректировку программ, перепрограммирование, изменение параметров процесса, а также соединять конкретную установку с большими управляющими комплексами. Регулируются основные параметры технологического процесса: временные характеристики операций откачки камеры, напуска рабочего газа, нагрева подложек, ионной очистки поверхности подложек, процесса распыления; а также мощность магнетрона; скорость движения карусели с подложками. Загрузка и выгрузка пластин могут осуществляться как оператором, так и (в некоторых устройствах) автоматически. Причем заданные и текущие значения параметров в процессе распыления могут контролироваться с помощью экрана дисплея.

Хотя магнетронные системы испарения металлов значительно сложнее в изготовлении и эксплуатации, чем вакуумно-термические, в условиях современного производства они являются наиболее совершенными, обеспечивающими необходимые качества и производительность при нанесении металлических тонких пленок.

Создание омических контактов к ИС

Основное назначение контактов в ИС - это подведение электрического тока к той или иной ее области.

Для планарных ИМС используют как локальные контакты (рис.5.2,а), так и распространенные (рис.5.2,б), выходящие на поверхность диэлектрического покрытия - двуокиси кремния, нитрида кремния и т.д. Распространенные контакты являются большим достоинством планарных ИМС, так как они позволяют отделить место присоединения вывода от активной области прибора и тем самым резко уменьшить как размеры последней, так и вредные воздействия на нее.

Основные качества контактов - обеспечение заданных электрических параметров и механическая прочность - должны сохраняться в течение всего срока службы ИМС при изменении в широком диапазоне условий эксплуатации схем. Для нормальной работы полупроводникового прибора или ИМС контакты к ним должны удовлетворять следующим требованиям:

Быть невыпрямляющими, т.е. сопротивление контакта не должно меняться при изменении направления протекающего тока, и неинжектирующими;

Обладать линейными зависимостями сопротивления от величины протекающего тока;

Иметь минимальное сопротивление, в том числе в направлении, параллельном поверхности, особенно если вывод присоединен к незначительной по площади части контакта;

Обладать высокой теплопроводностью и иметь коэффициент теплового расширения, близкий к аналогичным коэффициентам кремния и материала вывода или корпуса;

Представлять металлургически стабильную систему с кремнием и материалом вывода, в случае многослойных контактов это условие относится к взаимодействию слоев между собой;

Металл контакта должен обеспечивать достаточно хорошую адгезию к кремнию, а в случае распространенных контактов - и к диэлектрическому покрытию;

Не вступать в химическое взаимодействие с диэлектрическим покрытием;

Обеспечивать проведение фотолитографии;

Глубина диффузии металла контакта в кремний должна быть минимальной.

Для создания неинжектирующего контакта с малым сопротивлением необходимо, чтобы электрохимические потенциалы металла j мет и кремния j S i удовлетворяли условиям: j мет < j S i для S i n-типа; и j мет > j S i для Si p-типа. Однако такие контакты, как правило, обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками, их сопротивление зависит от величин приложенного напряжения и протекающего тока.

Этого можно избежать путем дополнительного легирования полупроводника под контактом, например, в кремнии n-типа диффузионным способом создается тонкая область n + -типа. Между n – - и
n + -областями возникает контактная разность потенциалов, пропорциональная разности концентраций ионизированных доноров. Изменить эту разность потенциалов прилагаемым извне напряжением очень трудно: при любой полярности напряжения будет изменяться только поток основных носителей. За счет этого обеспечивается линейность характеристики контакта. Линейный неинжектирующий контакт принято характеризовать контактным или переходным сопротивлением r k . Величина этого сопротивления в основном зависит от вида металла, типа и сопротивления полупроводника

Для полупроводника с малой концентрацией примеси можно использовать уравнение:

где A * = 4pem * k 2 /h 3 - постоянная Ричардсона (e - заряд электрона;
k - постоянная Больцмана; m * - эффективная масса носителей заряда;
h - постоянная Планка); j В - высота барьера металл - полупроводник. Поскольку в этом случае преобладает термоэлектронная эмиссия через барьер, малое сопротивление контакта требует малой высоты барьера. При концентрации примеси, меньшей 10 17 см –3 , r k не зависит от уровня легирования. При высокой концентрации примеси ширина барьера уменьшается вследствие сильного изгиба зон полупроводника, и основную роль при протекании тока в контакте играет туннелирование сквозь барьер. В этом случае контактное сопротивление можно представить в виде

где e S - диэлектрическая постоянная кремния; N D - концентрация примеси в полупроводнике. С ростом концентрации выше 10 19 см –3 r k быстро уменьшается. В табл.5.1 представлены значения j В для наиболее употребимых материалов контактов.

Таблица 5.1

Высота барьера металл - кремний, В