16 Полупроводниковые материалы и изделия

К полупроводникам относится большое количество материалов, отличающихся друг от друга внутренней структурой, химическим составом и электрическими свойствами. Согласно химическому составу, кристаллические полупроводниковые материалы делят на 4 группы:

материалы, состоящие из атомов одного элемента: германий, кремний, селен, фосфор, бор, индий, галлий и др.;

материалы, состоящие из окислов металлов: закись меди, окись цинка, окись кадмия, двуокись титана и пр.;

материалы на основе соединений атомов третьей и пятой групп системы элементов Менделеева, обозначаемые общей формулой и называемые антимонидами. К этой группе относятся соединения сурьмы с индием, с галлием и др., соединения атомов второй и шестой групп, а также соединения атомов четвертой группы;

полупроводниковые материалы органического происхождения, например полициклические ароматические соединения: антрацен, нафталин и др.

Согласно кристаллической структуре, полупроводниковые материалы делят на 2 группы: монокристаллические и поликристаллические полупроводники. К первой группе относятся материалы, получаемые в виде больших одиночных кристаллов (монокристаллы). Среди них можно назвать германий, кремний, из которых вырезают пластинки для выпрямителей и других полупроводниковых приборов.

Вторая группа материалов - это полупроводники, состоящие из множества небольших кристаллов, спаянных друг с другом. Поликристаллическими полупроводниками являются: селен, карбид кремния и пр.

По величине удельного объемного сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Некоторые из них резко уменьшают электрическое сопротивление при воздействии на них высокого напряжения. Это явление нашло применение в вентильных разрядниках для защиты линий электропередачи. Другие полупроводники резко уменьшают свое сопротивление под действием света. Это используется в фотоэлементах и фоторезисторах. Общим свойством для полупроводников является то, что они обладают электронной и дырочной проводимостью.

18 Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

Магнитные стали и сплавы. Ферромагнетизмом (способностью в значительной степени сгущать магнитные силовые линии) обладают железо, кобальт и никель. Эта способность характеризуется магнитной проницаемостью. У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость достигает десятков и сотен тысяч единиц, для других материалов она близка к единице. Магнитные свойства материала характеризуются остаточной индукцией и коэрцитивной силой. Остаточной индукцией называют магнитную индукцию, остающуюся в образце после его намагничивания и снятия внешнего магнитного поля. Размерность остаточной индукции Тл (тесла). 1Тл=1Н/(А∙м). Коэрцитивной силой Нс называют значение напряженности внешнего магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферромагнитного вещества. Размерность коэрцитивной силы А/м. Она определяет свойство ферромагнетика сохранять остаточную намагниченность. Магнитные стали и сплавы в зависимости от коэрцитивной силы и магнитной проницаемости делят на магнитно-твердые и магнитно-мягкие. Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов; имеют большую коэрцитивную силу. Это высокоуглеродистые и легированные стали, специальные сплавы. Углеродистые стали (У10-У12) после закалки имеют достаточную коэрцитивную силу (Н_с=5175 А/м), но, так как они прокаливаются на небольшую глубину, их применяют для изготовления небольших магнитов. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми прокаливаются значительно глубже, поэтому из них изготовляют более крупные магниты. Магнитные свойства этих сталей такие же, как и углеродистых. Хромокобальтовые стали (например, марки ЕХ5К5) имеют более высокую коэрцитивную силу – Н_с=7166 А/м. Магнитные сплавы, например ЮНДК24 (9% А1, 13,5% Ni; 3% Си; 24% Со; остальное железо), имеют очень высокую коэрцитивную силу – Н_с=39 810 А/м, поэтому из них изготовляют магниты небольшого размера, но большой мощности. Магнитно-мягкие стали и сплавы. Магнитно-мягкие стали и сплавы имеют малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницаемость. К ним относят электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои). Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) содержит менее 0,04% С, имеет высокую магнитную проницаемость μ=(2,78-3,58)∙10⁹ ГГн/м и применяется для сердечников, полюсных наконечников электромагнитов и др. Электротехническая сталь содержит менее 0,05% С и кремний, сильно увеличивающий магнитную проницаемость. Электротехническую сталь по содержанию кремния делят на четыре группы: с 1% Si - марки Э11, Э12, Э13; с 2% Si - Э21, Э22; с 3% Si - Э31, Э32; с 4% Si - Э41-Э48. Вторая цифра (1-8) характеризует уровень электротехнических свойств. Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45-80% Ni, их дополнительно легируют Сг, Si, Mo. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая. Например, у пермаллоя марки 79НМ (79% Ni; 4% Mo) μ=175,15∙10⁹ ГГн/м. Применяют пермаллои в аппаратуре, работающей в слабых электромагнитных полях (телефон, радио). Ферриты – магнитно-мягкие материалы, получаемые спеканием смеси порошков ферромагнитной окиси железа Fe₂0₃ и окислов двухвалентных металлов (ZnO, NiO, MgO и др.). В отличие от других магнитно-мягких материалов у ферритов очень высокое удельное электросопротивление, что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот. Сплавы с высоким электрическим сопротивлением. Их применяют для изготовления электронагревателей и элементов сопротивлений (резисторов) и реостатов. Сплавы для электронагревателей обладают высокой жаростойкостью, высоким электрическим сопротивлением, удовлетворительной пластичностью в холодном состоянии. Указанным требованиям отвечают железохромоалюминиевые сплавы, например, марок Х13Ю4 (≤0,15% С; 12-15% Сг; 3,5-5,5% А1), 0Х23Ю5 (≤0,05% С; 21,5=23,5% Сг; 4,6-5,3% А1), и никелевые сплавы, например, марок Х15Н60 - ферронихром, содержащий 25% Fe, Х20Н80 - нихром. Стойкость нагревателей из железохромоалюминиевых сплавов выше, чем у нихромов. Сплавы выпускают в виде проволоки и ленты, применяют для бытовых приборов (сплавы Х13Ю4, Х15Н60, Х20Н80),

Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения. Они содержат большое количество никеля. Сплав 36Н, называемый инваром (≤0,05% С и 35-37% Ni), почти не расширяется при температурах от -60 до +100°С. Его применяют для изготовления деталей приборов, требующих постоянных размеров в интервале климатических изменений температур (детали геодезических приборов и др.). Сплав 29НК, называемый коваром (≤0,03% С; 28,5-29,5% Ni; 17-18% Со), имеет низкий коэффициент теплового расширения в интервале температур от -0° до +420°C. Его применяют для изготовления деталей, впаиваемых в стекло при создании вакуумноплотных спаев. Сплавы с заданными упругими свойствами. К таким сплавам относят сплав 40КХНМ (0,07-0,12% С; 15-17% Ni; 19-21% Сг; 6,4-7,4% Мо; 39-41% Со). Это высокопрочный с высокими упругими свойствами, немагнитный, коррозионностойкий в агрессивных средах сплав. Применяют его для изготовления заводных пружин часовых механизмов, витых цилиндрических пружин, работающих при температурах до 400°С.