Задача 3 Изучение основных свойств и параметров полупроводниковых материалов.

Исходные данные: полупроводниковый материал кремний; терморезистор.

Задание:

- дать определение полупроводника;

- привести классификацию полупроводниковых материалов;

- указать, от каких факторов зависит электропроводимость полупроводников;

- кратко описать заданный материал, указать назначение полупроводникового прибора, описать принцип его действия.

- указать полупроводниковые материалы, используемые в данном приборе.

Решение:

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

Полупроводники классифицируются:

а) по характеру проводимости (собственная и примесная проводимость);

б) по виду проводимости (электронные (n-типа) и дырочные (p-типа) полупроводники).

Действие полупроводников:

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76×10⁻¹⁹ Дж против 11,2×10⁻¹⁹ Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4×10⁻¹⁹ Дж), и отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Кремний — элемент главной подгруппы четвёртой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14. Обозначается символом Si (лат. Silicium). Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным полупроводником. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ. Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при нормальных условиях составляет порядка 1,5×10¹⁰ см⁻³.

На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нём примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят атомы элементов III-й группы, таких, как бор, алюминий, галлий, индий. Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью в кремний вводят атомы элементов V-й группы, таких, как фосфор, мышьяк, сурьма.

Терморезистор - это полупроводниковый прибор (его изготавливают из полупроводниковых материалов с большим отрицательным температурным коэффициентом), в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводников от температуры.

   Изменение сопротивления Rт полупроводника при изменении температуры характеризуется зависимостью:

Rт= Аехр (В/Т).

Где:  А - постоянная, зависящая от физических свойств полупроводника, размеров и формы терморезистора; В - постоянная, зависящая от физических свойств полупроводника; Т - температура терморезистора, °С.  Температурный коэффициент  α  полупроводникового терморезистора  отрицательный.

Материал для создания терморезисторов должен удовлетворять следующим требованиям: чисто электронная проводимость материала и возможность регулирования ее, стабильность характеристик материала в диапазоне рабочих температур, простота технологии изготовления изделий. Материалы должны быть нечувствительными к загрязнениям в процессе технологического изготовления изделий.

Основные параметры терморезисторов. Как и любой технический прибор, терморезисторы имеют ряд параметров и характеристик, знание которых позволяет выяснить возможность использования данного терморезистора для решения определенной технической задачи. Основные параметры терморезисторов с отрицательным ТКС:

1. Габаритные размеры.

2. Величина сопротивления образцов Rt и RT (в Ом) при определенной

температуре окружающей среды в t, oC, или T, К. Для терморезисторов,

рассчитанных на рабочие температуры примерно от -100 до 125-200 oC,

температуры окружающей среды принимается равной 20 или 25oC и величина Rt называется «холодным сопротивлением».

3. Постоянная времени t (в секундах), характеризующая тепловую

инерционность терморезистора. Она равна времени, в течение которого

температура терморезистора изменяется на 63% от разности температур

образца и окружающей среды. Чаще всего эту разность берут равной

100oC.

4. Максимально допустимая температура tmax, до которой характеристики терморезистора долгое время остаются стабильными.

5. Максимально допустимая мощность рассеивания Pmax в Вт, не вызывающая необратимых изменений характеристик терморезистора. Естественно, при нагрузке терморезистора мощностью Pmax его температура не должна превышать tmax.

6. Коэффициент рассеяния H в Вт на 1oC. Численно равен мощности,

рассеиваемой на терморезисторе при разности температур образца и

окружающей среды в 1oC.

7. Коэффициент энергетической чувствительности G в Вт/%R, численно равен мощности, которую нужно рассеять на терморезисторе для уменьшения его сопротивления на 1%. Коэффициенты рассеяния и энергетической чувствительности зависят от параметров полупроводникового материала и от характера теплообмена между образцом и окружающей средой.

8. Теплоемкость C в Дж на 1oC, равная количеству тепла (энергии),

необходимому для повышения температуры терморезистора на 1oC.

Задача 4 Изучение основных свойств и параметров магнитных материалов.

Таблица 4.1 – Исходные данные

Наименование магнитного-твердого материала	Параметры	Значения Н, кА/м; В, Т
Металлокерамический (на основе сплава ЮНДК 24)	Н В	0; 10; 20; 30; 40; 44 1,23; 1,22; 1,17; 1,03; 0,8; 0

Для магнитного-твердого материала величина Н имеет отрицательное значение.

Таблица 4.2 – Исходные данные

Наименование магнитног-мягкого материала	Параметры	Значения Н, кА/м; В, Т
Электротехническая сталь Э44	Н В	0,1; 0,3; 0,5; 1; 2; 2,5 0,65;1,07;1,23;1,30;1,41;1,44

Задание:

- дать определение магнитного материала;

- привести классификацию магнитных материалов;

- назвать основные параметры магнитных материалов и кратко пояснить их физический смысл;

- кратко описать сами материалы, определить их место по приведенной классификации;

- привести примерные числовых значений основных магнитных параметров заданных материалов;

- назвать основные области использования заданных материалов.

Рассчитать и построить зависимости магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля Н (для магнито-мягкого материала), магнитной индукции В от магнитной энергии W_L (для магнито-твердого материала).

Решение:

Магнитные материалы, магнетики — материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях — изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала и т. д.

В этом смысле к магнетикам относятся практически все вещества (поскольку ни у какого из них магнитная восприимчивость не равна нулю точно). Большинство из них относится к классам диамагнетиков(имеющие небольшую отрицательную магнитную восприимчивость — и несколько ослабляющие магнитное поле) или парамагнетиков (имеющие небольшую положительную магнитную восприимчивость — и несколько усиливающие магнитное поле); более редко встречаются ферромагнетики (имеющие большую положительную магнитную восприимчивость — и намного усиливающие магнитное поле).

К магнитным материалам с точки зрения техники относят вещества, обладающие определенными магнитными свойствами и используемые в современной технологии. 

Магнитными материалами могут быть различные сплавы, химические соединения, жидкости.

В основном магнитные материалы относятся к группе ферромагнетиков и делятся на две большие группы — магнитотвёрдые материалы и магнитомягкие материалы.

В то же время в связи с успехом в науках изучающих магнетизм и с развитием большой исследовательской работы в области изучения магнитных материалов, появились новые большие группы магнитных материалов: магнитострикционные материалы, магнитооптические материалы, те- рмомагнитные материалы.

Сплав ЮНДК24 применяется: для изготовления литых и прессованных из порошков (с последующим спеканием) постоянных магнитов небольшого размера, но большой мощности, работающих в условиях рассеянных магнитных полей и в СВЧ-диапазоне.

Исследовано влияние высокотемпературной обработки расплава на химический состав, содержание газов, неметаллических включений, макроструктуру магнитотвердого сплава ЮНДК24. Установлена зависимость между режимами высокотемпературной обработки, газонасыщенностью сплава, загрязненностью его неметаллическими включениями и длиной столбчатых кристаллов в отливках. Максимальная длина столбчатых кристаллов в отливке образуется при кратковременном нагреве расплава до 1700 °С. При этом содержание неметаллических включений и газов в расплаве минимальное. Результаты работы использованы для усовершенствования технологии производства литых постоянных магнитов из сплавов типа ЮНДК24.

Для изготовления сердечников электрических машин и магнитопроводов трансформаторов применяется электротехническая листовая сталь (Э44), являющаяся по своим магнитным свойствам магнитномягким материалом. Применяемая сталь должна обладать высокой магнитной проницаемостью, а при работе в переменном магнитном поле, кроме того, малыми потерями та перемагничивание (гистерезис) и малыми потерями от вихревых токов.

Малые потери на гистерезис характеризуются узкой, с малой площадью, петлей гистерезиса. Снижение потерь от вихревых токов достигается увеличением удельного объемного сопротивления стали и выполнением сердечников те из массива, а из отдельных листов, изолиророванных друг от друга; чем выше частота, тем тоньше должны быть применяемые листы стали. Для работы при частоте 50 гц и ниже применяются главным образом листы толщиной 0,5 и реже 0,35 мм. Для работы при больших частотах обычно применяются листы толщиной 0,2 и 0,1 мм.

Для улучшения магнитных свойств применяется сталь, легированная кремнием. Такая легировка уменьшает потери на гистерезис и увеличивает удельное объемное сопротивление, но снижает механические свойства стали, делает ее хрупкой.

Магнитная проницаемость определяется по формуле:

(4.1)

где В – магнитная индукция, Тл;

Н – напряженность магнитного поля, кА/м;

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

Магнитная энергия определяется по формуле:

(4.2)

В выражения (4.1) и (4.2) подставляем данные металлокерамического материала:

Рассчитанные значения сводим в таблицу 4.3.

Таблица 4.3 – Значения сплава ЮНДК 24

В, Тл	1,23	1,22	1,17	1,03	0,8	0
Н, кА/м	0	10	20	30	40	44
μ, Гн/м	0	97133,8	46576,5	27335,5	15923,6	0
WL, кДж/м3	0	6,1	11,7	15,45	16	0

Таблица 4.4 – Значения электротехнической стали Э330

В, Тл	0,65	1,07	1,23	1,30	1,41	1,44
Н, кА/м	0,1	0,3	0,5	1	2	2,5
μ, Гн/м	5,1·10-6	2,8·10-6	1,9·10-6	1,03·10-6	5,6·10-5	4,4·10-5
WL, кДж/м3	0,0325	0,1625	0,3075	0,65	1,41	1,8

Рисунок 4.1 – зависимости магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля Н

Рисунок 4.2 – зависимости магнитной индукции В от магнитной энергии W_L