книги из ГПНТБ / Казарновский Д.М. Материалы и детали электротехнической аппаратуры

InSb). Кристаллы с ионной связью обладают одновременно бо­ лее высокой температурой плавления. Увеличение запретной зоны позволяет повысить верхний предел температур для диодов и три­ одов, изотовляемых из таких полупроводников. Вторая особен­ ность подобных соединений состоит в весьма высокой подвиж­ ности электронов; поэтому они с успехом применяются для изме­ рения э. д. с. Холла. Получение электронного механизма прово­ димости достигается введением доноров — элементов VI группы (Se, Те), дырочный полупроводник получают добавлением эле­ ментов II группы (Zn, Cd). В качестве примера рассмотрим свой­ ства сурьмянистого индия, обладающего рекордно высокой по­ движностью электронов.

Сурьмянистый индий. Полупроводник этого типа получают сплавлением компонентов, после чего для образования монокри­ сталлов применяют кристаллизацию с последующей очисткой.

ширина запретной зоны позволяет применять InSb в качестве де­ тектора инфракрасного излучения. Сурьмянистый индий приме­ няют также для датчиков э. д. с. Холла.

Высокотемпературные полупроводники. Исследование полупро­

водниковых соединений типа Аш— Bv показывает, что в этой си­ стеме возможно синтезирование полупроводников, сохраняющих присущий им характер проводимости при температурах свыше 200° С. Это открывает возможность получения р — «-переходов, в достаточной мере устойчивых при указанных температурах.

= 1,25 эв, подвижностями электронов р„=4000 см2!в сек и дырок

галлия получены очень чистые кристаллы длиной до 10 см. К вы­ сокотемпературным полупроводникам относится также монокристаллический карбид кремния. Выращивание монокристаллов представляет собой весьма сложный технологический процесс, так как заметная растворимость углерода в кремнии появляется при температуре свыше 1700° С; обычно пользуется температура порядка 2000° С. Монокристаллы SiC получают одним из следую­ щих методов: термической диссоциацией соединений, содержащих

180

ГЛАВА II

ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

11-1. ОСНОВНЫЕ п о н я т и я

Наиболее характерная физическая особенность металлов со­ стоит в их высокой тепло- и электропроводности. Высокое значе­ ние проводимости объясняется наличием свободных валентных электронов, которые не принадлежат отдельным атомам и могут перемещаться сквозь решетку.

Металлы имеют кристаллическое строение. Однако основное отличие кристаллического тела — неодинаковость свойств по раз­ личным направлениям (анизотропность)— не соблюдается для металлов. В период охлаждения металла одновременно зарож­ дается большое количество элементарных кристаллов, образуются кристаллы, т. е. зерна, которые в своем росте вступают в сопри­ косновение друг с другом и приобретают неправильные очертания. Кристаллы приближаются по своим свойствам к изотропным те­ лам. При отсутствии электрического поля равновероятны все направления теплового движения электронов в металле. Под воз­ действием электрического поля электроны получают добавочное ускорение, в их движении появляется преимущественное направ­ ление. При этом, однако, составляющая скорости электрона вдоль этого направления в среднем невелика благодаря столкновениям с атомами. При этих столкновениях энергия, накопленная элек­ троном, отдается атому и металл нагревается. Следует подчерк­ нуть, что рассеяние электронов связано с отклонениями от иде­ альной периодичности решетки, т. е. с наличием свободных узлов, примесных атомов, смещенных атомов и т. п. Свойства провод­ ника характеризуют удельной электропроводностью у или обрат­ ной величиной—'удельным сопротивлением 5 [ом-лш2/м]. Темпе­ ратурные изменения сопротивления характеризуются температур­

У металлов температурный коэффициент сопротивления положи­ телен. При охлаждении металлов их проводимость возрастает.

Л82

Проводимость резко увеличивается вблизи так называемой кри­ тической температуры; она ниже 10°К для всех элементов, обла­ дающих сверхпроводимостью. Проводники с высоким значением у (например, медь, серебро), а также ферромагнитные элементы, (железо, никель, кобальт) не являются сверхпроводниками. Свой­ ством сверхпроводимости обладают многие сплавы, хотя зачастуювходящие компоненты сами по себе сверхпроводимостью не обла­

талла или сплава может явиться механическая обработка (воло­ чение, штамповка и т. п.), вызы­ вающая искажения строения кри­ сталлических решеток (наклеп).

Твердотяиутая проволока имеет более низкую электропроводность,, чем мягкая, отожженная. При отжиге происходит рекристаллиза­ ция металла, сопровождающаяся повышением электропроводности..

Во многих случаях желательно получение проводникового ма­ териала с низкой электропроводностью; этому требованию отве­ чают сплавы некоторых металлов. Работы Н. С. Курнакова и его> школы позволили установить, что в каждой системе сплавов свой­ ства изменяются закономерно с изменением состава. Сплавы вы­ сокого сопротивления представляют собой твердые растворы заме­ щения или внедрения. Твердыми растворами замещения называюттакие, в которых атомы одного из компонентов сплава замещают в- кристаллической решетке второго компонента часть его атомов.

Твердыми растворами внедрения называют такие, в которых, атомы одного из компонентов сплава размещаются в пространстве между атомами второго, расположенными в узлах кристалличе­ ской решетки. Если атомы первого и второго компонентов сплава близки по размерам и строению электронных оболочек и если оба' компонента имеют одинаковый тип кристаллической решетки, то-

1SS.

■они способны образовывать твердые растворы замещения при

.любом соотношении между компонентами сплава. Примером та­ кого сплава может служить сплав меди с никелем (рис. 11-2). Твердые растворы внедрения образуются в том случае, когда ато-

металлов, т. е. возможность получения малого температурного коэффициента сопротивления, связано с сильным искажением

•благодаря возрастанию рассеивания электронных волн. В твердых растворах с искаженной решеткой это рассеивание уже настолько велико, что изменение температуры сказывается лишь на тепловых колебаниях атомов, а не на степени искаженное™ решетки и не­ способно сколько-нибудь заметно изменить общее рассеивание электронных волн. Поэтому в металлических твердых растворах

•температурный коэффициент сопротивления всегда меньше, чем у исходных компонентов. Проводниковые материалы охватывают металлы и сплавы с высокой проводимостью, сплавы с низкой про­ водимостью и контактные материалы.

11-2. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ С ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ

Токоведущие элементы всех электротехнических устройств ^изготовляют из проводниковых материалов с высокой проводимо- -стью. К ним относятся в первую очередь серебро, медь, а также алюминий и некоторые их еялавы.

JS4

Серебро. Среди металлов серебро обладает наиболее высокой: проводимостью; величина р = 0,016 ом-мм-/м. Температурным ко­ эффициент сопротивления TKR = 0,36 проц/град. Температура, плавления серебра 960° С. Серебро отличается небольшей твердо­ стью; оно является высокопластичным металлом, легко претерпе­ вающим упругие деформации. Его окисление на воздухе при нор­ мальной температуре протекает весьма медленно, тогда как медь, сравнительно быстро покрывается слоем окиси — закиси меди,, имеющей низкую проводимость. Покрывая, например, медную об­ мотку катушки индуктивности слоем серебра, обеспечивают полу­ чение низкого сопротивления для токов высокой частоты, распро­ страняющихся в тонком поверхностном слое. При высоких часто­ тах проводимость посеребренного проводника может быть в де­ сятки раз больше, чем медного. Заметим, что если в воздухе при­ сутствуют сернистые соединения, то на поверхности образуется, слой сернистого серебра Ag2S с высоким сопротивлением. Серни­ стое серебро образуется также в том случае, когда в качестве изо­ ляции используется вулканизированый каучук (эбонит), в кото­ ром с течением времени происходит диффузия свободной серы на поверхность. При повышенных температурах серебро окисляется. Для защиты серебряного покрытия от окисления и воздействия на него сернистых соединений в некоторых случаях наносят слой лака или весьма тонкий слой (толщиной доли микрона) пал­ ладия.

Из серебра выполняют электроды слюдяных и керамических: конденсаторов. Из серебра выполняют также проводниковые эле­ менты печатных схем, высокочастотных катушек и т. п. Серебро является компонентом различных сплавов и контактных мате­ риалов.

Медь. Вторым после серебра металлом с высокой проводимо­ стью является медь. Ввиду сильного влияния на электропровод­ ность меди, даже незначительных примесей, для проводников ис­ пользуется электролитическая медь марки Ml с содержанием Си 99,9%- Высокой вязкостью и пластичностью обладает бескисло­ родная медь марки МО, содержащая кислорода не более 0,02%^ медь марки Ml может содержать 0,08.% кислорода. Для получе­ ния бескислородной меди ее отливку производят в атмосфереокиси углерода в вертикальные изложницы. Температура плавле­ ния меди 1084° С, температура рекристаллизации — около 270° С. При нагревании выше этой температуры резко снижается проч­ ность и возрастает пластичность. Техническая медная проволока диаметром от 0,1 до 12 мм выпускается двух марок: МТ— твер­

имеет в среднем прочность на растяжение ор= 27 кГ/ммг\ для твердой проволоки марки МТ величина ор = 39 кГ/мм2.

Таким образом, твердая проволока примерно в полтора раза прочнее мягкой. Твердая и мягкая проволоки имеют существенно-

185»

■белей и т. п. Из бескислородной меди изготовляют особо тонкую проволоку (диаметром 0,015 мм) и тонкую красномедную фольгу. Бескислородная медь применяется также для изготовления микро-

.проволокн толщиной в несколько микрон. Проволока покрывается непрерывной оболочкой из стекла; ввиду малой толщины оболочки микропроволока обладает гибкостью.

Латунь представляет собой сплав меди с цинком, содержа­ щий иногда некоторые добавки (Mn, Fe) в количестве до 1—2%; латунь с небольшим содержанием цинка (до 10%) используют для получения изделий методом холодной обработки давлением; латунь с высоким содержанием Zn — для отливок и для горячей штамповки. Отжиг латуни после обработки давлением производят при 300°С; это предохраняет изделие от появления трещин. Проч­ ность на растяжение латунной ленты в среднем такая же, как у меди. Удельная проводимость латуни при содержании 10% Zn составляет примерно 40% от проводимости меди.

Бронза представляет собой группу сплавов на основе меди, главным образом меди с оловом, кадмием и бериллием. Наиболее распространенной бронзой, обладающей высокой электропровод­ ностью, является кадмиевая бронза (с присадкой около 1% Cd), применяемая в твердотянутом состоянии. Она в два раза прочнее твердотянутой меди, а ее стойкость против истирания примерно

втри раза больше.

Вто время как при повышении температуры до 250° С меха­ ническая прочность меди резко падает, кадмиевая бронза сохра­

няет свою прочность. Удельная проводимость кадмиевой бронзы в среднем на 10% ниже, чем меди. Кадмиевую бронзу применяют для троллейных проводов, коллекторных пластин и для различ­ ных скользящих контактов в деталях аппаратуры — потенциомет­ ров и т. п.

Алюминий. Третье место среди проводниковых материалов по величине удельного сопротивления занимает алюминий. Темпера­

:186

длину и такое же сопротивление, что и медный, примерно в два раза легче медного. Электропроводность алюминия сильно падает при наличии небольших примесей Mg, Си, Fe и других, вследствие искажения кристаллической решетки; примеси увеличивают также хрупкость металла.

чем на поверхности образуется газонепроницаемая пленка А120з, толщиной около 0,05 мк, предохраняющая внутренние слои ме­ талла от дальнейшего окисления. Из алюминия марки А1 (99,5% А1) изготовляют экраны, корпуса электролитических конденсато­ ров, пластины воздушных конденсаторов. Ввиду его легкости алю­ миний используют для рамок и стрелок измерительных приборов, для дисков, счетчиков и т. п. Алюминий также используют для шин, проводов и для производства фольги. Весьма чистый алю­ миний марки АВ1 (99,9% А1) обладает высокой пластичностью и стойкостью против коррозии. Он применяется для электролитиче­ ских конденсаторов и для защитных кабельных оболочек. Кроме того, на основе алюминия изготовляется ряд легких сплавов, от­ вечающих разнообразным назначениям.

Сталеалюминиевые провода сочетают высокую прочность с не­ обходимой электропроводностью. Такой провод имеет миогопроволочный стальной сердечник, обвитый в несколько рядов алюми­ ниевыми жилами.

11-3. СПЛАВЫ С НИЗКОИ ПРОВОДИМОСТЬЮ

В электротехнических устройствах зачастую требуются эле­ менты с большим сопротивлением. К ним относятся добавочные сопротивления в измерительных приборах, сопротивления для по­ глощения излишков напряжения, потенциометры, нагревательные элементы и т. д.

Для их изготовления используется проволока из сплава с низ­ кой проводимостью. Такие сплавы, как уже было изложено, пред­

также минимальной термо-э. д. с. в контакте с медью sT и ста­ бильностью во времени. К используемым в нагревательных эле­ ментах сплавам предъявляется требование жароупорности — спо­ собности длительно работать при высоких температурах.

Среди многочисленных сплавов высокого сопротивления здесь рассматриваются манганин, константам, нихром и хромаль.

Манганин. Технический манганин (МНААц 3-12) представляет собой сплав марганца, никеля и меди. Манганин после отжига при 400° С поддается прокатке и волочению, в результате которых получается проволока с минимальным диаметром до 0,02 мм. Для стабилизации свойств манганин выдерживают при температуре 140° С в течение 10 час. Эта термообработка, именуемая состари-

187

аанием, позволяет получить характеристики, не изменяющиеся во

механическая обработка и различные деформации, вызывая на­ клеп, приводят к увеличению удельного сопротивления и к сниже­ нию стабильности свойств. Так, усилия при нанесении изоляции на проволоку и ее намотке на катушку достаточны, чтобы в отож­ женном манганине появилось явление наклепа; поэтому для ста­ билизации свойств готовых образцовых сопротивлений (секций) их подвергают вторичной термической обработке. Допустимая ра­ бочая температура для манганина может составлять 200° С, од-

.нако для образцовых сопротивлений рабочую температуру огра­ ничивают 60° С, так как при более высоких температурах характе­ ристики манганина несколько изменяются.

Серебряный манганин, состоящий из марганца (10%), никеля (8%) и серебра (остальное), имея примерно те же свойства, что и технический манганин, выдерживает рабочую температуру до

выше, чем технического манганина. Манганин применяется для изготовления добавочных сопротивлений к приборам, магазинов сопротивлений, шунтов и т. п.

Дальнейшее развитие сплавов этой группы привело к появле­ нию так называемых радиоманганинов. Например, сплав № 2 с содержанием марганца 60%, никеля 30% и меди 10% имеет высокое удельное сопротивление р = 2,05 ом-мм2/м и отрицатель­ ный TI<R= —10-2 проц/град; имеются сплавы с нулевым и поло­ жительным TKR. Поэтому такие манганины могут быть приме­ нены для целей термокомпенсации в электрических цепях.

Константан. Получение этого сплава основано на свойстве взаимных твердых растворов меди с никелем приобретать высо­ кое сопротивление при определенных концентрациях компонентов (стр. 184). Сплав типа МНМц 40—1,5, состоящий из никеля (40%), меди (58,5%) и марганца (1,5), имеет практически постоянную электропроводность при изменениях рабочих температур. Кон­ стантан допускает прокатку и волочение в проволоку диаметром до 0,02 м. Константановая проволока выпускается твердой и мяг­ кой (после отжига). После отжига прочность на разрыв состав­ ляет около 50 кГ/мм2. Удельное электрическое сопротивление константаяа р = 0,5 ом-мм2/м, температурный коэффициент отрицате­ лен TKR = —5-10-3 проц/град.

Однако термо-э. д. с. в паре с медью значительна: ет» ^«40 мкв/град; это исключает применение Константина для изго­ товления добавочных сопротивлений к чувствительным точным

188

приборам и для образцовых сопротивлений, однако не является препятствием для изготовления регулировочных и поглотительных сопротивлений. Константан используют также для термопар. Ра­ бочая температура константана не должна превосходить 500° С.

Нихром. Сплав никеля и хрома предназначается для использо­ вания в основном при высоких температурах. Выбор этих метал­ лов для получения нагревостойкого сплава обусловлен их способ­

в процессе нагрева потребовало бы громоздких устройств для

волочению в проволоку диаметром 0,01 мм и выше. Предельная

189