8 Материалы атомной энергетики

Атомный реактор состоит из следующих частей:

1) активная зона с тепловыделяющими элементами (ТЭВЛ) и технологические каналы с теплоносителем для удаления тепла. Для ТЭВЛов требуется 235 U, 233U, 239U; U238 и Тh232;

2) поглощающие элементы (ПЭЛ) или стержни для регулирования мощности и аварийной защиты;

3) замедлители атомных реакций;

4) отражатели нейтронов;

5) биологическая защита.

ТЭВЛы изготавливаются из окислов урана или сплавов с тугоплавкими материалами, тория, плутония. Порошки прессуют, получают таблетки и вставляют в оболочку из нержавеющей стали.

Технологические каналы изготавливаются из Х18Н10Т, Al и его сплавов, Mg и его сплавов, графита разных марок, Nb, Mo, Ni, Be.

Поглощающие элементы изготавливают из B, Cd, HF, PЗМ.

Замедлитель, отражатель изготавливаются из графита в сочетании с Be; Be в сочетании с тяжелой водой, графитом, Al.

В качестве теплоносителя используется H₂O, воздух, гелий; расплавленные металлы Na, Nа - K, Hg, Pb, Bi расплавленные соли.

Биологическая защита из воды, металлов (Pb, Ba, Mn, Fe), B(бор) для поглощения нейтронов.

Ферриты

Это магнитные полупроводники ионного строения на основе окиси железа и часто других металлов (антиферромагнетики или ферромагнетики).

Они делятся на:

- феррошпинели MgO Al₂ O₃ c кубической решеткой;

- феррогранаты [Ca₃ Al₂ (Si O₂) ₃ ] c объемно центрированной кубической решеткой;

- гексоферриты (PbFe_1,5 Mn_3,5 Al _0,5 Ti _0,5 O₁₉) гексагональная решетка;

- ортоферриты (Ca Ti O₃) орторомбическая структура.

Получают ферриты из чистых порошкообразных оксидов. Окислы можно получать из углекислых, азотнокислых солей.

Выпускают магнитотвердые, магнитомягкие ферриты с разными петлями гистерезиса.

Наиболее распространенные ферриты:

– иттриевые, феррогранаты, литиевые, магний - марганцевые; никелевые; бариевые; кобальтовые, стронциевые ферриты.

- магнитомягкие ферриты используются в катушках индуктивности, магнитных антеннах, дросселях; в электронно-вычислительной технике. Свыше 80% мини ЭВМ изготавливают с применением ферритов;

- магнитотвердые ферриты используются в электрических машинах, электронных приборах, магнитных систем ламп бегущей строки, магнитных линзах, генераторах, магнитных сепараторах, электромуфтах, тормозах.

9 Общие сведения о магнетизме. Классификация материалов по магнитным свойствам

Общие сведения о магнетизме

Любое вещество, будучи помещенным в магнитное поле, приобретает некоторый магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема вещества называют намагниченностью J_М:

J_М=М/V(2.20)

При неравномерном намагничивании тела:

J_М=dМ/dV(2.21)

Намагниченность является векторной величиной; в изотропных телах она направлена либо параллельно, либо антипараллельно напряженности магнитного поля Н. В системе СИ намагниченность выражается в единицах напряженности магнитного поля (А/м).

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля соотношением

J_М=k_M ·H, (2.22)

гдеk_M– безразмерная величина, характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле и называемаямагнитной восприимчивостью.

Магнитная восприимчивость численно равна намагниченности при единичной напряженности поля. Кроме объемной магнитной восприимчивости k_М иногда используют понятие удельной и молярной

магнитных восприимчивостей, которые относят соответственно к единице массы или к молю вещества.

Намагниченное тело, находящееся во внешнем поле, создает собственное магнитное поле, которое в изотропных материалах направленно параллельно или антипараллельно внешнему полю. Поэтому суммарная магнитная индукция в веществе определяется алгебраической суммой индукции внешнего и собственного полей:

B=B₀+B_i=μ₀H+ μ₀J_M , (2.23)

где μ₀ =4π·10^-7 Гн/м – магнитная постоянная в системе СИ.

Из (2.22) и (2.23) следует

B= μ₀H(1+k_M)= μ₀ μH , (2.24)

где μ=1+ k_M – относительная магнитная проницаемость, показывающая во сколько раз магнитная индукция В поля в данной среде больше, чем магнитная индукция В₀ в вакууме.

Первопричиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими токами являются электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах. Магнитные моменты протонов и нейтронов приблизительно в тысячу раз меньше магнитного момента электрона. Поэтому магнитные свойства атома определяются целиком электронами, а магнитным моментом ядра можно пренебречь.

Классификация магнитных материалов

Применяемые в радиотехнике магнитные материалы подразделяют на две основные группы: магнитомягкие и магнитотвердые. В отдельную группу выделяют материалы специализированного назначения.

Магнитомягкие

Магнитотвердые

Магнитные материалы

Рисунок 2.16 – Классификация магнитных материалов

К магнитомягким относят магнитные материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электро-измерительных приборов и т.п. К магнитомягким материалам можно отнести низкоуглеродистые стали, кремнистую электротехническую сталь, низкокоэрцитивные сплавы, ферриты и магнитодиэлектрики. Приведем пределы изменения параметров магнитомягких материалов:

М_НАЧ=5 – 35000(100000); Н_С=0.08 – 800 А/м;

М_МАХ=3500 – 200000(900000); В_S=0.13 – 2.45 Т.

Магнитотвердые материалы характеризуются широкой петлёй гистерезиса, то есть они имеют большое значение коэрцитивной силы и остаточной индукции. Магнитотвердые материалы применяются при изготовлении постоянных магнитов для записи и хранения звука и изображения. Постоянный магнит работает при наличии размагничивающего поля, поэтому его остаточная индукция не равна В_r, а несколько ниже, и свойства постоянного магнита определяются характером изменения индукции по участку петли гистерезиса, лежащего во втором квадранте, - по кривой размагничивания. Специфической характеристикой магнитопровода с зазором является энергия, выделяемая в зазор: W=(B∙H)/2.

Если в первом квадранте изобразить график изменения энергии, то эта кривая пройдет через максимум, так как в двух крайних точках энергия, выделяемая в зазор, равна нулю(рисунок 2.17): при В=В_r Н=0, отсюда В∙Н=0 и при В=0 Н=Н_С , В∙Н=0. Верхняя нулевая точка соответствует отсутствию зазора, нижняя – бесконечному зазору. Правильно сконструировать постоянный магнит – значит найти такое соотношение длины магнитопровода и зазора, при котором энергия в зазоре была бы максимальна. Чем выше В_r иН_С материала и чем прямоугольнее петля гистерезиса, тем выше энергия зазора. Форму кривой размагничивания оценивают коэффициентом выпуклости

 . (2.25)

Повышение B_r достигается применением материалов с высокой плотностью магнитных моментов и увеличением степени прямоугольности петли. Прямоугольность петли повышается созданием магнитных текстур, при этом домены переориентируются примерно в одинаковых полях. Коэрцитивную силу повышают за счет создания внутренних механических напряжений, что затрудняет переориентацию доменов.

В процессе работы постоянного магнита возможно смещение рабочей точки (точка, при которой W максимальна). Это вызывается изменением величины воздушного зазора, под действием внешних магнитных полей, температуры, тряски, ударов и т.п. Изменение магнитного состояния во всех перечисленных случаях происходит по кривым возврата, которые представляют собой частные петли гистерезиса с вершиной, лежащей на кривой размагничивания. Как правило, эти кривые возврата узки и их обычно заменяют прямыми линиями (смотрим рисунок 2.17). Ход прямой возврата оцениваетсякоэффициентом возврата μ_∆=∆В/∆Н, μ_∆≈1 – 10. Чем меньше коэффициент возврата, тем стабильнее магнитная цепь. Кроме основных параметров магнитотвердых материалов оказываются существенными механическая прочность, технологичность, электросопротивление, стоимость, стабильность. Магнит считается стабилизированным, если он не меняет свойств с течением времени и возвращается к первоначальному магнитному состоянию после устранения внешней причины, которая вывела его из этого состояния.

Нестабильность свойств может быть обратимой и необратимой. Обратимые процессы связаны с изменением доменного строения материала, которое может быть восстановлено в результате термомагнитной обработки. Необратимые процессы связаны с кристаллографическими деформациями, которые уже невозможно восстановить. На практике для стабилизации свойств магнита применяют предварительное искусственное старение (обработка температурными циклами), частичное размагничивание и др. При этом необратимые процессы резко уменьшаются.

К материалам специализированного назначения относятся материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.

Магнитным гистерезисом называется явление отставания изменений намагниченности или магнитной индукции от вызывающих эти изменения изменений напряженности магнитного поля.

Если начать намагничивать образец магнитного материала, то при непрерывном возрастании напряженности магнитного поля индукция образца увеличивается, пока не достигнет максимального значения магнитной индукции В_MAX (рисунок 2.18, участок 0-1).Если после этого уменьшать напряжен-

Рисунок 2.18 – Петля магнитного гистерезиса.

ность магнитного поля Н, индукция В уменьшится, но отдельным значениям Н при уменьшении будут соответствовать уже другие, большие значения В. Это означает, что кривые В=f(Н) при увеличении и при уменьшении Н не тождественны. Если направление поля изменить на противоположное и начать его увеличивать, то при Н= -Н_С индукция В уменьшится до нуля. В этом случае величина Н_Сназывается коэрцитивной силой по индукции. При дальнейшем возрастании поля в обратном направлении образец будет намагничиваться в обратном направлении, пока при значении напряженности минус Н_MAX индукция не достигнет значения -В_МАХ. При последующем уменьшении поля индукция снова будет уменьшаться, причем значения будут отличаться от соответствующих значений индукции при увеличении поля. При Н=0 остается остаточная магнитная индукция Вr. Для её исчезновения необходимо изменить направление поля и увеличить его до Н=Н_С. При дальнейшем увеличении Н до Н_МАХ значения В увеличатся до В_МАХ.

Кривая изменения магнитной индукции при изменении напряженности магнитного поля Н от Н_МАХ до – Н_МАХ и обратно называетсяпредельной петлей магнитного гистерезиса. Она является важной характеристикой магнитного материалы, так как на её основе определяются важные показатели свойств материала – коэрцитивная сила Н_С и остаточная магнитная индукция Вr, а также остаточная намагниченность Мr и индукция насыщения В_МАХ.

Вследствие магнитного гистерезиса одному значению напряженности магнитного поля соответствует бесконечное множество значений магнитной индукции, которые зависят не только от напряженности магнитного поля, но и от предыстории намагничивания образца.

Если при циклическом перемагничивании значения Н не достигают Н_МАХ, явление гистерезиса становится более сложным и в этом случае петля гистерезиса не всегда бывает замкнутой и симметричной. Для получения симметричной кривой обычно бывает необходимо около 10 циклов перемагничивания.

Явление магнитного гистерезиса в некоторых случаях является нежелательным, например, в магнитопроводах трансформаторов, так как оно вызывает большие потери. Во многих случаях, однако, оно используется, например, в постоянных магнитах, в магнитных запоминающих устройствах и т.п.

Физической причиной явления магнитного гистерезиса является то, что доменная структура магнитного материала зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Изменения в доменной структуре осуществляются путем перемещения доменных границ, что требует определенных энергии и времени. При циклическом перемагничивании перемещения доменных границ не успевают происходить одновременно с изменениями напряженности магнитного поля. Часть этих перемещений необратима, т.е. изменения остаются и после того, как напряженность магнитного поля исчезает. Это является причиной возникновения остаточной магнитной индукции.

Свойства магнитных материалов характеризуются следующими параметрами.

Во внешнем магнитном поле напряженностью   магнитный материал характеризуется намагниченностью   или индукцией   . Намагниченность равна результирующему моменту единицы объема:

 . (2.26)

Соответственно индукция

 , (2.27)

где µ₀ – магнитная проницаемость вакуума, равная 4π·10^-7 Гн/м.

Размерность Н – А/м, так как

 , (2.28)

где I_H – ток намагничивания, W – число витков обмотки, l – длина магнитопровода. Размерность В – тесла (Т: Т=(Кл·Ом)/м²).

Чаще всего магнитную индукцию В выражают в зависимости от намагничивающего поля Н соотношением вида

В=µ_а·Н , (2.29)

где µ_а – абсолютная магнитная проницаемость, определяемая из кривой В=f(Н). В технике пользуются безразмерной магнитной проницаемостью (относительной проницаемостью) µ= µ_а/ µ₀ .

В системе СИ

 . (2.30)

Зависимость В=f(Н) может быть трех типов. Кривая, полученная для предварительно размагниченного материала при монотонном возрастании Н, называется первоначальной (нулевой кривой) кривой намагничивания.

 Кривая 1 (рисунок 2.19) – это безгистерезисная (идеальная) кривая намагничивания, полученная при одновременном воздействии постоянного поля и переменного, с убывающей до нуля амплитудой. Кривая 2 – основная, коммутационная кривая намагничивания, представляет собой геометрическое место точек, вершин кривых, полученных при циклическом перемагничивании. Нулевая кривая близко совпадает с основной, но зависит от случайных причин, например, от механических сотрясений, колебаний температуры, характера изменения внешнего поля и т.д. Нулевая кривая не имеет хорошей воспроизводимости и не может быть использована для сравнительной оценки свойств различных материалов. В инженерной практике она не используется. Безгистерезисная кривая выходит в область насыщения уже в слабых полях. Намагничивание по этой кривой имеет место в некоторых случаях. Основная кривая намагничивания является важнейшей характеристикой магнитных материалов. Она хорошо воспроизводится. На ней принято различать три участка.

   Начальный 1 (рисунок 2.20), соответствующий очень слабым магнитным полям (до 0.08 А/м), характеризуется линейным ростом индукции В от Н. Магнитная проницаемость на этом участке остается постоянной. Начальный участок основной кривой намагничивания обратим и используется в технике слабых токов. В области очень слабых полей в магнитном материале происходит ориентация и упругое смещение стенок доменов, направление которых составляло наименьший угол с направлением внешнего поля. В области слабых и средних полей наблюдается резкий рост индукции и магнитной проницаемости, участок 2. При этом внутри материала происходит рост доменов за счет ломки стенок соседних доменов, и наибольших размеров достигают те домены, направление которых имело меньший угол с направлением внешнего поля. Участок 2 кривой намагничивания необратим; в .той области работают сердечники силовых трансформаторов. В сильных полях, участок 3, кривая намагничивания выходит в область насыщения. На этом участке кривой работают специальные виды трансформаторов. На кривой μ=f(H) отметим две характерные точки: μ_НАЧ – начальная магнитная проницаемость, значение которой получают в очень слабых магнитных полях (до 0.08 А/м); она является основным параметром высокочастотных магнитных материалов; μ_МАХ – максимальная магнитная проницаемость, равная отношению максимальной напряженности внешнего поля; определяется по наклону касательной, проведенной из начала координат к точке верхнего перегиба кривой В=f(H).

10

При намагничивании парамагнетиков и диамагнетиков магнитная индукция изменяется прямо пропорционально напряженности поля. На рис. 22.25 показана зависимость магнитной индукции парамагнетиков (μ>1) идиамагнетиков (μ<1) от напряженности магнитного поля; отклонения графиков от прямой B=μ0H для вакуума (μ = 1) для наглядности сильно преувеличены.

Намагничивание ферромагнетика происходит иначе (рис. 22.26). Сначала при увеличении напряженности Н индукция очень быстро возрастает, а затем ее рост замедляется, и при достаточно большом Н индукция В почти не изменяется при увеличении H. Если опыт производится с ферромагнетиком, который раньше не намагничивался, то процесс намагничивания идет по кривой ОА, которую называют кривой первоначального намагничивания. Из графика видно, что μс=В/H при малых H невелико, потом быстро возрастает, а затем начинает уменьшаться. Следовательно, магнитная проницаемость ферромагнетиков непостоянна и изменяется в зависимости от H.

Показанный на графике ход кривой ОА объясняется следующим образом. До тех пор, пока идет намагничивание доменов по направлению внешнего поля, индукция быстро растет. Когда ферромагнетик намагнитится до насыщения, дальнейший рост индукции В будет происходить уже только за счет увеличения H. Если затем постепенно уменьшать напряженность, то размагничивание будет идти по кривой АС, и при Н=0 ферромагнетик остается намагниченным, так как значение индукции внутри него при этом соответствует отрезку ОС. Таким образом, значение индукции В в ферромагнетике зависит не только от H, но и от того, как был намагничен ферромагнетик раньше.

На рис. 22.26 видно, что при размагничивании индукция спадает медленнее, чем нарастала при намагничивании ферромагнетика. Это явление называется магнитным гистерезисом(запаздыванием). При периодическом перемагничивании ферромагнетика переменным магнитным полем кривая индукции образует замкнутую кривую, которую называют петлей гистерезиса (рис. 22.27). Оказывается, что площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной на процесс перемагничивания ферромагнетика. Эта энергия превращается во внутреннюю энергию ферромагнетика. Следовательно, при периодическом перемагничивании ферромагнетик должен нагреваться. Ферромагнетик с большой площадью петли гистерезиса называют жестким (рис. 22.27, а), а с маленькой площадью — мягким (рис. 22.27, б). Постоянные магниты изготавливают из жестких ферромагнетиков. Сравнительно недавно были получены материалы, обладающие очень маленькой площадью петли гистерезиса, которые назвали ферритами. Их применение позволяет уменьшать потери энергии на перемагничивание.

Опыт показал, что магнитные свойства ферромагнетиков зависят от температуры. При нагревании магнитная проницаемость ферромагнетиков уменьшается, и при достаточно большей температуре в них происходит распад доменов. При этом ферромагнетик превращается в парамагнетик. Температуру, при которой происходит такое превращение, называют точкой Кюри (у железа точка Кюри равна 770°С, а у никеля 360°С). Если это вещество охладить, то оно снова превращается в ферромагнетик.

«Втягивание» линий индукции в ферромагнетик используется для магнитной защиты. Если сделать футляр из ферромагнетика, то линии индукции внешнего поля будут проходить по стенкам футляра, а поле внутри него исчезнет (рис. 22.28). Таким способом предохраняют чувствительные приборы от влияния на их работу внешних магнитных полей, в частности поля Земли.

Усиление магнитного поля ферромагнетиками широко используется в технике. Так, например, усиление магнитного поля соленоида с помощью ферромагнетика используется для устройства электромагнита. Стержень, который вставляют в соленоид, называют сердечником. Соленоид с сердечником из мягкой стали называют электромагнитом, а провод, из которого сделан соленоид, — обмоткой электромагнита. Часто электромагниту придают подковообразную форму. Схема такого электромагнита показана на рис. 22.29.

Электромагнит замечателен тем, что его можно намагничивать и размагничивать, включая и выключая ток в его обмотке. Именно эта особенность электромагнита определяет его широкое использование в различных автоматических устройствах, например, в электромагнитном реле. Электромагниты используют в подъемных кранах, в телефоне, телеграфе, в электродвигателях, в генераторах, в измерительных приборах и т. д.

Одно из важных свойств ферромагнетиков заключается в том, что они изменяют свой, объем в процессе перемагничивания. Это свойство ферромагнетиков называют магнитострикцией. Его используют для получения ультразвуковых колебаний. Для этого вставляют в катушку сердечник с выступающим концом и питают катушку переменным током высокой частоты.

11

Характеристики проводников:

1) Удельная проводимость.

2) Удельное сопротивление.

3) Коэффициент теплопроводности.

4) Контактная разность потенциалов и термо ЭДС

5) Температурный коэффициент линейного расширения. TKl( )

6) Работа выхода электронов из Me.

7) Предел прочности при растяжении.

8) Относительное удлинение перед разрывом.

Удельное сопротивление ( проводимость ).

Удельная проводимость определяется по формуле

 

– заряд электрона,

концентрация электронов на единицу объёма материала,

средняя длина пробега электрона между соударениями об узлы кристаллической решётки,

масса решётки,

средняя скорость теплового движения электронов.

Концентрация электронов и средняя скорость теплового движения электронов для различных металлов меняется незначительно. В связи с этим значение удельной проводимости в значительной мере зависит от средней длины пробега электрона между соударениями об узлы кристаллической решётки. средняя скорость теплового движения электронов определяется структурой материала проводника. Поэтому у чистых металлов с правильным строением кристаллической решётки удельное сопротивление мало. И наоборот увеличение примесей и дефектов в материале приводит к увеличению удельного сопротивления.

Удельная проводимость проводника определяется законом Ома в дифференциальной форме.

 

где j – плотность тока,

Е – напряжённость электрического поля.

Удельное электрическое сопротивление

,

где .

Несистемные единицы: , 1

Удельное сопротивление некоторых чистых металлов приведён в таблице П2.

Таблица П2 – Удельное сопротивление проводниковых материалов

Материал
Cu	0,017
Al	0,028
Fe	0,098

Удельное сопротивление определяется наличием примесей и искажением структуры входящих в них металлов. Наиболее сильно оно возростает, если металлы при сплавлении образуют твёрдые растворы (рисунок П1).

 

Рисунок П1 – Удельное сопротивление двух разных материалов при изменении концентрации компонентов

Если при сплавлении двух металлов сплавы образуют механические смеси, удельное сопротивлении сплава при изменении концентрации компонентов, его составляющих, изменяется практически линейно. При образовании сплавов химических соединений образуются новые компоненты, образующиеся в результате химической реакции исходных компонентов, интерметалиды зависимость удельного сопротивления от концентрации компонентов зависит практически линейно.

При изменении температуры происходит изменение скорости движения основных носителей зарядов. Часть энергии движения основных носителей рассеивается на дефектах кристаллической решётки (примесные атомы, вакансии, дислокации) и при соударении носителей с атомами, вызванного их тепловыми колебаниями. Характерная зависимость удельного сопротивления от температуры приведена на рисунке П2.

 

Рисунок П2 – Зависимость удельного сопротивления проводников от тмпературы

При температурах превышающих температуру Дебая (для большинства проводниковых материалов θ=400 – 800 ˚С) удельное сопротивление повышается практически линейно и в основном обусловлено усилением тепловых колебаний атомов. В области низких (криогенных) температур тепловое колебание атомов практически отсутствует и удельное сопротивление определяется сопротивление ρ_ост.

Коэффициент удельного сопротивления.

При увеличении температуры проводника увеличивается объём металла (для меди: при достижении температуры плавления объём увеличивается в 2,4 раза) уменьшается его плотность и вместе с тем концентрация свободных носителей заряда. При этом увеличивается удельное сопротивление проводника. Изменение удельного сопротивления проводника в зависимости от температуры характеризуется температурным коэффициентом удельного сопротивления или α_ρ

 

где удельное сопротивление при начальной температуре.

Удельное сопротивление при температуре отличной от начальной (обычно 20˚С) определяется соотношением

 

Повышенными значениями обладают: Ni, Co, F. Для металлов , а для большинства сплавов - .

 

Коэффициент теплопроводности.

Энергию теплового движения в металлах в основном передают свободные электроны, число которых в металле велико. Поэтому существует взаимосвязь между удельным электрическим сопротивлением и коэффициентом теплопроводности которая носит название закона Видемана Франца – Лоренца.

 

где Т – температура, число Лоренца = .

Контактная разность потенциалов.

При соприкосновении двух различных металлических проводников между мини возникает контактная разность потенциалов. Причина появления: различные значения электронов, а так же их различная концентрация в различных проводниках.

Рассмотрим электрическую цепь из двух различных проводников, соединённых спаем (рисунок П3). Если имеется два спая, один из которых имеет температуру , а другой - , то между спаями возникает термоЭДС, которую можно рассчитать

 

коэффициент термоЭДС.

 

Рисунок П3 – Схема термопары

Два изолированных друг от друга проводника из различных металлов или сплавов соединённых между собой при помощи сварки или пайки, называется термопарой и применяются для измерения температуры. В термопарах используются проводники имеющие большой коэффициент термо-ЭДС. Для обмоток измерительных приборов применяют проводники с малым значением термо-ЭДС относительно меди, чтобы избежать пояления в измерительных схемах паразитную термо – ЭДС.

Температурный коэффициент линейного расширения проводников.

Температурный коэффициент линейного расширения определяется соотношением

 

При нормальной температуре легкоплавкие металлы имеют большое значение ТКl, а тугоплавкие – низкое.

Работа выхода электронов определяется по справочным данным.

Механические свойства проводников характеризуют предел прочности при растяжении , а также относительным удлинением перед разрывом . Механические свойства проводников зависят от механической и термической обработки, наличия примесей, легирующих добавок и.т.п.

12

К наиболее широкораспрстраненным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий.

Медь Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1.малое удельное сопротивление;

2.достаточно высокая механическая прочность;

3.удовлетворительная в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии;

4.хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой должна быть доведена до тысячных долей миллиметра;

5.относительная легкость пайки и сварки.

Медь получают чаще всœего путем переработки сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехнических целœей, обязательно проходит процесс электролитической очистки.

В качестве проводникового материала чаще всœего используется медь марок М1 и М0. Медь марки М1 содержит 99.9% Cu, а в общем количестве примесей (0.1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0.05% примесей, в т.ч. не свыше 0.02% кислорода.

Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, в связи с этим она всœе шире заменяется другими металлами, особенно алюминием.

В отдельных случаях применяются сплавы меди с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь.

Алюминий Алюминий является вторым по значению после меди проводниковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов: плотность литого алюминия около 2.6, а прокатанного – 2.7 Мг/м³. Т.о., алюминий примерно в 3.5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами – как механическими, так и электрическими. При одинаковом сечении и длинœе электрическое сопротивление алюминиевого провода в 1.63 раза больше, чем медного. Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь.

Для электротехнических целœей используют алюминий, содержащий не более 0.5% примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВ00 (не более 0.03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВ0000 имеет содержание примесей не более 0ю004%. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0.5% снижают γ отожженного алюминия не более, чем на 2-3%. Более заметное действие оказывают примеси Cu, Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие γ алюминия на 5-10%. Очень сильно снижают электропроводность алюминия Ti и Mn.

Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет металл от дальнейшей коррозии.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей, содержащий 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si и 0.2-0.3% Fe. В альдрее образуется соединœение Mg₂Si, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ сообщает высокие механические свойства сплаву.

Желœезо Желœезо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. При этом даже чистое желœезо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление; ρ стали, ᴛ.ᴇ. желœеза с примесью углерода и других элементов, еще выше. Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. По этой причине поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком.

В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов применяют так называемыйбиметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединœены друг с другом прочно и непрерывно.

Натрий Весьма перспективным проводниковым материалом является металлический натрий. Натрий должна быть получен электролизом расплавленного хлористого натрия NaCl в практически неограниченных количествах. Из сравнения свойств натрия со свойствами других проводниковых металлов видно, что удельное сопротивление натрия примерно в 2.8 раза больше ρ меди и в 1.7 раз больше ρ алюминия, но благодаря чрезвычайно малой плотности натрия (плотность его почти в 9 раз меньше плотности меди), провод из натрия при данной проводимости на единицу длины должен быть значительно легче, чем провод из любого другого металла. При этом натрий чрезвычайно активен химически (он интенсивно окисляется на воздухе, бурно реагирует с водой), почему натриевый провод должен быть защищен герметизирующей оболочкой. Оболочка должна придавать проводу необходимую механическую прочность, так как натрий весьма мягок и имеет малый предел прочности при деформациях.

В качестве материалов с высоким сопротивлением используют металлические сплавы типа твердых растворов замещения, металлические и угольные пленки, проводниковые композиции. Материалы высокого сопротивления по назначению разделяются: 1) на проводниковые резистивные материалы, 2) пленочные резистивные материалы, 3) материалы для термопар.   1) Проводниковые резистивные материалы разделяют на сплавы для проволочных резисторов (манганин, константан) и для электронагревательных элементов (нихром, фехраль, хромаль). а) К проволочным резистивным материалам предъявляются следующие требования: удельное электрическое сопротивление р при нормальной тем­пературе не менее 0,3 мкОм-м и высокая стабильность его значе­ния во времени; малый температурный коэффициент термоЭДС в паре сплава с медью; малый температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКr; технологичность. В отличие от материалов с высокой проводимостью (чистых металлов) резистивные материалы представляют собой в основном сплавы с заметно деформированной кристаллической решеткой, что характерно для твердых растворов металлов. Для получения про­волоки разного диаметра, применяемой для изготовления прово­лочных резисторов различного назначения, наибольшее распрост­ранение получили сплавы на основе меди и никеля. Важнейшие элек­трические характеристики этих сплавов зависят от процентного соотношения меди и никеля.   Константан Константин представляет собой твердый раствор никеля и меди (до 60%), получивший свое название за высокое постоянство коэффициента удельного электрического сопротивления rэ (константа) при изме­нении температуры. Обладает высокой нагревостойкостью, предель­но допустимая температура при длительной работе достигает 500°С. При нагревании до высоких температур (примерно 900°С) константан окисляется с образованием оксидной изолирующей пленки. Это позволяет применять константан для изготовления реостатов, ре­зисторов и электронагревательных элементов без специальной межвитковой изоляции. Однако в паре с медью константан создает срав­нительно высокую термоЭДС, что затрудняет использование константановых резисторов в точных измерительных схемах. Но это же свойство константана позволяет использовать его в паре с ме­дью или железом для изготовления термопар. Константан применяют для изготовления потенциометров, гасящих резисторов. Широкому применению константана препятствует его повышен­ная стоимость из-за большого содержания в нем дефицитного никеля.   Манганин Манганин сравнительно пластичный сплав, получивший свое название из-за содержания в нем марганца. Его состав входит медь (до 85%), марганец, никель. Для обеспечения малого значения температурного коэффициен­та удельного электрического сопротивления ТКr и стабильности коэффициента удельного электрического сопротивления r манга­нин подвергают отжигу в вакууме при температуре примерно 550...600°С в течение 10 ч с последующим медленным охлаждени­ем. При температуре 60°С манганино­вая проволока начинает окисляться, поэтому ее применяют в стек­лянной изоляции, которая отличается высокими электроизоляци­онными свойствами, повышенной нагрево- и влагостойкостью. Микропровод используют для конструирования миниатюрных высокоточных элементов, в том числе прецизионных резисторов больших номиналов. К недостаткам манганинового микропровода относят невысо­кую воспроизводимость характеристик и пониженную гибкость из-за хрупкости стеклянной изоляции.   б) К сплавам для электронагревательных элементов предъявляются следующие требования: высокий коэффициент удельного электрического сопротивления r, малый температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКr, дли­тельная работа на воздухе при высоких температурах (иногда до 1000°С и даже выше), технологичность, невысокая стоимость и до­ступность компонентов. К нагревостойким сплавам относят сплавы на основе железа, ни­келя, хрома и алюминия. Высокая нагревостойкость этих сплавов достигается благодаря введению в их состав достаточно большого количества металлов, которые образуют при нагреве на воздухе сплошную оксидную пленку.   Нихромы Нихромы представляют собой твердые растворы никель-хром (Ni-Cr) или тройные сплавы никель-хром-железо (Ni-Cr-Fe). Железо вводится в сплав для обеспечения лучшей обрабатывае­мости и снижения стоимости, но в отличие от никеля и хрома желе­зо легко окисляется, что приводит к снижению нагревостойкости сплава; содержание хрома придает высокую тугоплавкость окси­дам. Близость значений температурных коэффициентов линейного расширения ТКl этих сплавов и их оксидных пленок повышает стой­кость хромоникелевых сплавов при высокой температуре воздуха. Растрескивание оксидных пленок происходит при резких сменах температуры. В результате кислород воздуха проникает в образо­вавшиеся трещины и продолжает процесс окисления. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательно­го элемента из нихрома он перегорает значительно быстрее, чем в случае непрерывной работы при той же температуре. Для увеличе­ния срока службы трубчатых нагревательных элементов нихромовую проволоку помещают в трубки из стойкого к окислению ме­талла и заполняют их диэлектрическим порошком с высокой теп­лопроводностью. Такие нагревательные элементы применяют, например, в электрических кипятильниках, которые могут работать длительное время. Нихромовая проволока применяется для изготовления проволоч­ных резисторов, потенциометров, паяльников, электропечей и пле­ночных резисторов интегральных схем. Как и константаны, нихромы содержат большое количество до­рогого дефицитного никеля.   2) Пленочные резистивные материалы получают из исходных ма­териалов в процессе получения самих резистивных пленок. Свой­ства таких резистивных пленок значительно отличаются от свойств исходных материалов. Тонкие резистивные пленки наносят на изо­ляционные основания (подложки) методом термического испарения в вакууме; катодным, реактивным и ионоплазменным распыле­нием, электрохимическим и химическим осаждением и др. В каче­стве оснований используют стекло, керамику, ситалл, поликор, сло­истые пластики и др. К материалам, применяемым для изготовления пленочных ре­зисторов, предъявляются следующие требования: возможность из­готовления стабильных во времени резисторов с низким темпера­турным коэффициентом удельного электрического сопротивления ТКr, хорошая адгезия к подложкам, высокая коррозионная стой­кость и устойчивость к длительному воздействию высокой темпе­ратуры. Адгезия – способность материалов сцепляться друг с другом. В зависимости от исходных материалов пленочные резисторы разделяют на металлопленочные и металлооксидные, композици­онные, углеродистые. Для изготовления металлопленочных и металлооксидных резис­торов применяют тугоплавкие металлы тантал, титан, никель, хром, палладий, рений, вольфрам и сплавы на их основе.   3) Материалы для термопар Для термопар применяют чистые металлы и различные сплавы с высоким электрическим сопротивлением. Материалы для термопар выбирают по следующим характерис­тикам: допустимая рабочая температура спая Тсп; удельный коэффициент электрического сопротивления r; температурный коэффициент удельного электрического сопро­тивления ТКr; коэффициент термоЭДС. Для изготовления термопар чаще всего используют сплавы, при­веденные в табл. 2.   Таблица 2 Параметр Копель Хромель Платинородий Алюмель Состав сплава 44%Ni 56%Cu 90%Ni 10%Cr 90%Pt 10%Rh 95%Ni 5%(Al,Si,Rh) Удельное электрическое сопротивление, мкОм×м 0,465 0,66 0,19 0,305   Термопары могут применяться для измерения следующих темпе­ратур: до 350°С - медь-константан, медь-копель; до 600°С - железо-константан, железо-копель, хромель-копель; до 900...1000°С -хромель-алюмель; до 1600°С - платинородий-платина. Для измерения криогенных температур можно использовать тер­мопару железо-золото.   Просмотров - 1921. а МАТЕРИАЛЫ С ВЫСООЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ

13

Теоретически термоЭДС можно получить из любых сочетаний металлов и сплавов. На практике же желательно, чтобы термоЭДС была достаточно большей, чтобы электросопротивление термопары было не слишком высоким, чтобы характеристика зависимости ε = f(Т) была линейной, а диапазон измеряемых температур достаточно большим. Материалы для термопар должны иметь возможно более высокую точку плавления, обладать хорошей стабильностью α_Т, должны легко обрабатываться. Термоэлектроды должны обладать достаточной коррозионной стойкостью и быть устойчивыми против окислительного и восстановительного действия среды. В процессе эксплуатации в результате окалинообразования или окисления не должны изменяться их термоэлектрические свойства. Легирующие элементы, входящие в состав сплавов, не должны диффундировать наружу в результате селективного окисления или испаряться при высокой температуре. Выполнение этих условий необходимо для получения линейной и стабильной зависимости термоЭДС от температуры в течение длительного срока эксплуатации.

Анализ данных величины термоЭДС, развиваемых различными материалами ( [1, 2] , лаб. раб. №5), показал что наибольшая ее величине достигается в неметаллических полупроводниковых материалах, но вышеперечисленным практическим требованиям удовлетворяют только некоторые сплавы и их комбинации из металлических компонентов.

В настоящее время для интервала температур от 20 до 2000 К определено семь различных комбинаций сплавов, для которых имеются международные таблицы зависимости термоЭДС от температуры.

В отечественной практике наиболее часто для термопар применяются следующие сплавы:

· копель (56 % Сu и 44 % Ni);

· алюмель (95 %, остальные Al, Si, Mn);

· хромель (90 % Ni и 10% Сг);

· платинородий (90 %Pt и 10 % Rh).

Из чистых металлов применяются платина, железо, медь.

Из сплавов и металлов, не вошедших в международный стандарт, в промышленности применяют константан - сплав меди 60 % и никеля 40 %; вольфрам, молибден, рений, иридий.

14

Если в качестве признака классификации материалов, используемых для изготовления элементов электронных устройств, взять их способность проводить электрический ток (электропроводность), то все эти материалы с учетом их удельного электрического сопротивления можно разделить на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

К проводникам относят материалы, удельное электрическое сопротивление которых при комнатной температуре (Т = 300 К) не превышает 10^-4 Ом×см. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков, как правило, более 10⁹ Ом×см.

Особый интерес представляют полупроводниковые материалы. Для разных полупроводниковых материалов их удельное электрическое сопротивление может находиться в диапазоне от 10^-4 до 10⁹ Ом×см. При этом, в отличие от проводников, проводимость полупроводников с ростом температуры увеличивается. Количество материалов со свойствами полупроводников превышает количество проводников и диэлектриков. На практике наиболее часто находят применение кремний, германий, арсенид галлия, селен, разные оксиды, сульфиды, нитриды и др.

В таблице 1.1 в качестве примера приведены значения удельных электрических сопротивлений представителей разных групп материалов при температуре Т = 300 К (t^о= +27^о С).

По способности проводить электрический ток и зависимости электропроводности от температуры полупроводники значительно ближе к диэлектрикам, чем к проводникам. Это связано, в первую очередь, с особенностью строения атомов полупроводниковых материалов.

Как известно, атом любого вещества состоит из положительно заряженного ядра и перемещающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Ядро, в свою очередь, состоит из электрически нейтральных частиц – нейтронов и положительно заряженных протонов (положительный заряд протону и отрицательный заряд электрону присвоены условно). Отрицательный заряд электрона (q_e » 1,6×10^-19 Кл) по величине равен положительному заряду протона, поэтому при нормальных условиях атом электрически нейтрален, так как число протонов в ядре равно числу электронов, образующих электронную оболочку атома.

Таблица 1.1

Материалы	r, Ом × см
Проводники:	алюминий	2, 63 × 10-6
	железо	5, 30 × 10-6
	золото	2, 44 × 10-6
	медь	1, 72 × 10-6
	серебро	1, 62 × 10-6
Полупроводники:	германий
	кремний	230 × 103
	арсенид галлия	4 × 108
Диэлектрики:	янтарь	5 × 1016
	слюда	1, 3 × 1014
	стекло	1 × 1014

Электроны находятся в постоянном движении на некотором расстоянии от ядра в пределах слоев (оболочек), определяемых их энергией W. Чем дальше от ядра находится вращающийся электрон, тем выше его энергия (или, как говорят, энергетический уровень) (рисунок 1.1) и тем слабее его связь с атомом. А это значит, что при определенных условиях (повышение температуры, воздействие внешнего электрического поля, радиации и т. д.) такие электроны могут разрывать связь со своими атомами и становиться свободными.

Количество электронов в слоях строго определено: в ближайшем к ядру слое может находиться не более двух электронов, во втором слое – не более восьми электронов и т. д. Внешний слой в общем случае может быть незаполненным, поэтому он легко отдает «свои» и принимает «чужие» электроны. Электроны внешнего слоя определяют валентность элемента при химических реакциях. Такие электроны называются валентными, и они обеспечивают соединение атомов в молекулы или кристаллы. Это происходит за счет взаимодействия между соседними атомами, заключающегося в том, что на электроны одного атома воздействуют ядра соседних атомов. В результате такого взаимодействия разрешенные энергетические уровни электронов смещаются и расщепляются на несколько – по числу соседних атомов в кристаллической решетке.

 

Рисунок 1.1 – Упрощенная зонная структура твердого тела

Совокупность энергетических уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называют разрешенной зоной (рисунок 1.1). Разрешенная зонахарактеризуется тем, что все ее энергетические уровни при температуре 0 К заполнены электронами. Совокупность энергетических уровней, соответствующих внешнему слою электронов, образует валентную зону. Разрешенные уровни энергии, которые остаются незанятыми электронами (при температуре, отличной от 0 К), составляют зону проводимости. Промежуток между валентной зоной и зоной проводимости называется запрещенной зоной.

В проводниках(например, у металлов) валентная зона и зона проводимости взаимно перекрываются (рисунок 1.2, а), поэтому валентные электроны имеют возможность перемещаться с оболочки одного атома вещества на оболочку другого атома, совершая при отсутствии внешнего электрического поля хаотическое тепловое движение. В связи с этим даже при 0 К проводники обладают проводимостью. При наличии внешнего электрического поля движение электронов становится упорядоченным (направленным).

а б в

  Рисунок 1.2 – Энергетические зоны проводника (а), диэлектрика (б)

и полупроводника (в)

Число свободных электронов в металлах достаточно велико и практически не зависит от температуры. Однако с повышением температуры увеличивается число столкновений электронов при их тепловом перемещении, в связи с чем электропроводность металлов понижается.

У диэлектриковширина запрещенной зоны 3 (рисунок 1.2, б) велика (DW > 6 эВ), электроны внешней оболочки достаточно жестко связаны с ядром и для перехода валентных электронов в зону проводимости нужно сообщить им значительную энергию. Так, например, при высокой напряженности внешнего электрического поля может произойти отрыв валентных электронов и их лавинное размножение, которое называется пробоем диэлектрика. В результате пробоя диэлектрик теряет свои свойства и становится проводником.

У полупроводников запрещенная зона (рисунок 1.2, в) относительно мала и ее ширина DW при температуре 300 К колеблется от 0,1 до 3,5 эВ. Химически чистые полупроводникипри температуре абсолютного нуля (Т = 0 К) ведут себя так же, как диэлектрики, и их электропроводность равна нулю, поскольку их зона проводимости при этих условиях пуста.

Чтобы обеспечить возможность перехода электронов полупроводника из валентной зоны в зону проводимости (то есть, сделать полупроводник электропроводным), необходимо каким-либо способом сообщить электронам дополнительную энергию, равную ширине запрещенной зоны DW. При температуре 300 К, в частности, у германия DW = 0,66 эВ, у кремния DW = 1,12 эВ, у арсенида галлия DW = 1,43 эВ, у карбида кремния DW = 2,4 … 3,4 эВ.

Ширина запрещенной зоны полупроводников изменяется с изменением температуры. Это происходит в результате:

- изменения амплитуды тепловых колебаний атомов кристаллической решетки;

- изменений межатомных расстояний (в результате изменения объема тела).

У большинства полупроводников ширина запрещенной зоны с повышением температуры уменьшается.

Если рассматривать структуру полупроводникового материала на уровне молекул, то можно отметить, что для полупроводников характерными являются ковалентные связи между отдельными атомами в молекуле. Они образуются за счет присоединения валентных электронов соседних атомов. Так, например, в кристаллической решетке четырехвалентного полупроводника (германия, кремния (рисунок 1.3)) каждый атом связан с четырьмя соседними атомами с помощью двух валентных электронов – по одному от каждого атома.

 

Рисунок 1.3 – Структура кристаллической решетки полупроводника

В абсолютно чистом полупроводнике при температуре, близкой к абсолютному нулю, и отсутствии внешнего электрического поля все валентные электроны участвуют в ковалентных связях. При этом переход любого электрона от одного атома к другому сопровождается встречным переходом электрона от другого атома. Свободные носители зарядов отсутствуют, поэтому электропроводность полупроводника при таких условиях равна нулю, его свойства близки к свойствам диэлектрика.

Под воздействием внешних факторов (например, при повышении температуры, при наличии внешнего электрического поля) тепловые колебания атомов в кристаллической решетке химически чистого полупроводника приводят к увеличению энергии валентных электронов, которые могут оторваться от «своих» атомов и начать свободное перемещение. Поэтому при нормальной комнатной температуре полупроводники, в отличие от диэлектриков, имеют некоторую электропроводность. С повышением температуры растет число оторвавшихся электронов, а, следовательно, увеличивается электропроводность полупроводника. Электропроводность полупроводника, обусловленная образованием носителей заряда под действием температуры, называется собственной электропроводностью.

При разрыве ковалентной связи в структуре молекулы образуется вакантное место – «дырка» у того атома, от которого «оторвался» электрон. На освободившееся вакантное место может перейти валентный электрон любого соседнего атома. В свою очередь, на место, освободившееся после ухода второго электрона, переходит электрон еще одного атома и т. д. Перемещение электронов в цепочке таких переходов происходит последовательно – каждый электрон переходит на место, освободившееся после его предшественника. В направлении, противоположном движению электронов, также последовательно перемещаются вакантные места – «дырки». Таким образом, в полупроводнике существует два типа носителей заряда – электроны и дырки. Дырке приписывается положительный заряд, численно равный заряду электрона.

Процесс образования пары «электрон – дырка»под влиянием температуры называетсятермогенерацией.

Электрон, покинувший атом при термогенерации и разрушивший ковалентную связь, может находиться в свободном состоянии очень незначительное время. При своем движении он, в конце концов, попадает в зону дырки и заполняет освободившуюся ковалентную связь в другом атоме. При этом ранее разорванная ковалентная связь восстанавливается, а электрон и дырка исчезают – электрон «захватывается» дыркой или дырка «занимается» электроном. Этот процесс называют рекомбинацией.При определенной температуре полупроводникового материала существует термодинамическое равновесие между генерацией и рекомбинацией, в результате чего в полупроводнике устанавливается определенная концентрация свободных носителей зарядов: электронов и дырок. Причем в чистом полупроводнике они всегда образуются и исчезают парами, т. е. количество электронов и дырок в нем всегда одинаково. Среднее время существования пары «электрон – дырка» называют временем жизни носителей заряда.

При отсутствии внешнего электрического поля электрон и дырка, появившиеся в результате термогенерации, совершают хаотические движения в объеме полупроводника, которые не приводят к смещению электронов в одном направлении, т. е. не способствуют появлению электрического тока в полупроводнике. Если полупроводник поместить в электрическое поле, то движения электронов и дырок приобретают направленный характер – происходит дрейф свободных носителей зарядов, что вызывает появление в полупроводнике электрического тока, который называют дрейфовым.При этом электропроводность полупроводника определяется двумя типами носителей зарядов: электронами и дырками.

Дрейфовый ток в полупроводнике зависит от концентрации носителей зарядов и их подвижности. В чистом полупроводнике при повышении температуры происходит увеличение концентрации подвижных носителей, а, следовательно, и увеличение проводимости.

Кроме дрейфового тока в полупроводниках существует так называемый диффузионный ток, который возникает в результате неравномерной концентрации носителей зарядов в кристалле полупроводника.

Несмотря на наличие в полупроводниках двух видов токов – дрейфового и диффузионного, их собственная электропроводность даже при повышенных температурах остается незначительной. Поэтому в чистом виде полупроводниковый материал для изготовления компонентов электронной техники не используется.

Для создания полупроводниковых приборов применяют примесные полупроводники. С этой целью в полупроводниковый материал добавляют примесь(примерно один атом примеси на 10⁶ ... 10⁸ атомов основного вещества). Различают два вида примесей:акцепторную и донорную. Если в полупроводниковый материал четвертой группы периодической таблицы Менделеева (например, кремний Si) добавить в виде примеси материал из пятой группы (например, фосфор Р, мышьяк As, сурьму Sb), то четыре валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с четырьмя валентными электронами полупроводника (по одному из каждого с четырех атомов основного материала), а пятый валентный электрон примеси такой связи не образует, т. е. появляются носители электрического заряда – свободные электроны, которые могут свободно перемещаться по объему полупроводника (рисунок 1.4, а).

Рисунок 1.4 – Структура кристалла полупроводника, обогащенного

донорной (а) и акцепторной (б) примесью

Электропроводность полупроводника, обусловленная наличием свободных электронов, носит название электропроводности n-типа, а полупроводник, реализующий электропроводность n-типа, называется полупроводником n-типа. Примесь, которая обусловливает электропроводность n-типа, называется донорной (отдающей). При образовании свободного электрона атом примеси приобретаетположительный заряд и становится неподвижным ионом.

Если в полупроводниковый материал четвертой группы периодической таблицы Менделеева добавить в виде примеси материал изтретьей группы (например, индий In, бор В, алюминий Al), то три валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с тремя валентными электронами полупроводника. Недостающий валентный электрон для образования ковалентной связи легко притягивается атомом примеси от одного из соседних атомов полупроводника. На месте разорванной ковалентной связи образуется носитель электрического заряда положительного знака (дырка), а атом примеси при этом приобретает отрицательный заряд и становится неподвижным ионом (рисунок 1.4, б).

Электропроводность полупроводника, обусловленная свободными дырками, носит название электропроводности р-типа, а полупроводник, реализующий электропроводность р-типа, называется полупроводником р-типа. Примесь, которая обусловливает электропроводность р-типа, называется акцепторной (принимающей).

Носители зарядов, образующиеся в результате добавления примеси в полупроводник, количественно преобладают над носителями зарядов, возникающими в результате процесса термогенерации, поэтому электроны в полупроводнике п-типа и дырки в полупроводнике р-типа носят название основных носителей зарядов (будем обозначать п_п и р_р соответственно). В свою очередь, электроны в полупроводнике р-типа и дырки в полупроводнике п-типа являются неосновными носителями зарядов (п_р и р_псоответственно).

Важнейшая область применения полупроводниковых материалов — микроэлектроника. Полупроводниковые материалы составляют основу современных больших и сверхбольших интегральных схем, которые делают главным образом на основе Si. Дальнейший прогресс в повышении быстродействия и в снижении потребляемой мощности связан с созданием интегральных схем на основе GaAs, InP и их твёрдых растворов с др. соединениями типа А^IIIВ^V. В больших масштабах используют полупроводниковые материалы для изготовления «силовых» полупроводниковых приборов (вентили, тиристоры, мощные транзисторы). Здесь также основным материалом является Si, а дальнейшее продвижение в область более высоких рабочих температур связано с применением GaAs, SiC и др. широкозонных полупроводниковых материалов. С каждым годом расширяется применение полупроводниковых материалов в солнечной энергетике. Основными полупроводниковыми материалами для изготовления солнечных батарей являются Si, GaAs, гетероструктуры Ga_xAl_1-xAs/GaAs, Cu₂S/CdS, α-Si:H, гетероструктуры α-Si:H/α-Si_xC_1-x:H. С применением в солнечных батареях некристаллических гидрированных полупроводниковых материалов связаны перспективы резкого снижения стоимости солнечных батарей. Полупроводниковые материалы используют для создания полупроводниковых лазеров и светодиодов. Лазеры делают на основе ряда прямозонных соединений типа A^IIIB^V, A^IIB^IV, A^IVB^VI и др. Важнейшими материалами для изготовления лазеров являются гетероструктуры: Ga_xAl_1-xAs/GaAs, Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y/InP, Ga_xIn_1-xAs/InP, Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y/Ga_xAs_1-xP_x, GaN/Al_xGa_1-xN. Для изготовления светодиодов широко используют: GaAs, GaP, GaAs_1-xP_x, Ga_xIn_1-xAs, Ga_xAl_1-xAs, GaN и др. Полупроводниковые материалы составляют основу современных приемников оптического излучения (фотоприемников) для широкого спектрального диапазона. Их изготовляют на основеGe, Si, GaAs, GaP, InSb, InAs, Ga_xAl_1-xAs, Ga_xIn_1-xAs, Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y, Cd_xHg_1-xТе, Pb_xSn_1-xTe и ряда др. полупроводниковых материалов. Полупроводниковые лазеры и фотоприемники — важнейшие составляющие элементной базы волоконно-оптической линий связи. Полупроводниковые материалы используются для создания различных СВЧ приборов (биполярных и полевых транзисторов, транзисторов на «горячих» электронах, лавинопролетных диодов и др.). Другие важные области применения полупроводниковых материалов: детекторы ядерных излучений (используют особо чистые Ge, Si, GaAs, CdTe и др.), изготовление термохолодильников (теллуриды и селениды висмута и сурьмы), тензодатчиков, высокочувствительных термометров, датчиков магнитных полей и др.Электронно-дырочный переход: Любой полупроводниковый прибор основан на одном или нескольких электронно-дырочных переходах. Электронно*дырочный переход (p_n переход) это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. Поскольку в полупроводнике n-типа концентрация электронов значительно превышает концентрацию дырок (n >> p),а в полупроводнике p_типа – наоборот (p >> n), то при контакте двух полупроводников разных типов начинается процесс диффузии: дырки из p_области стремительно диффундируют (переходят) в n_область, а электроны, наоборот, из n_области в p_область. В результате диффузии в n_области на границе контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p_области, наоборот, уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, препятствующий дальнейшему процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу. Такой слой называется запирающим. p_n_переход обладает одной удивительной особенностью: односторонней проводимостью, то есть способностью пропускать электрический ток только в одну сторону. Рассмотрим два возможных варианта подачи напряжения на p_n_переход: 1) положительный полюс источника соединен с p_областью, а отрицательный – с n_областью. Тогда в силу притягивания разноименных зарядов друг к другу напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться. Естественно, это облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p_области и электроны из n_области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать p_n_переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через p_n_переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника. 2)Положительный полюс источника соединен с n_областью, а отрицательный – с p_областью. Такое включение приведет к возрастанию напряженности поля в запирающем слое. Дырки в p_области и электроны в n_области небудут двигаться навстречу друг другу, что приведет к увеличению концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Следовательно, ток через p_n_переход практически не идет. Напряжение, поданное на p_n_переход при таком включении, называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p_области и дырок в n_области.

15