Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Учебник.pdf
ния. Медь увеличивает постоянство µ
Н — никель;
М — марганец;
С — кремний (силициум);
К — кобальт;
Х — хром;
Д — медь.
. В узких интервалах напряженности
r
магнитного поля медь повышает температурную стабильность и удельное сопротивление, а также делает сплавы легко поддающимися механической обработке.
Сплавы железноникелевые с высокой магнитной проницаемостью выпускаются несколькими группами, каждая из которых содержит еще ряд марок.
Маркируют пермаллои буквами, которые обозначают содержание вещества:
Дополнительная буква У означает сплав с улучшенными свойствами.
П — с прямоугольной петлей гистериза.
Цифра в марке указывает процентное содержание никеля.
Кроме наиболее освоенных в промышленном производстве пермаллоев,
интерес представляет сплав, получивший название супермаллой, с очень высокими магнитными свойствами в слабых полях. Сведения о его составе и свойствах для сравнения даны в таблице 2.5.
Пермаллои применяют для изготовления магнитопроводов трансформаторов, дросселей, реле, деталей магнитных цепей, аппаратуры связи, магнитных
экранов и т.д. Тонкие ленты из пермаллоев различных марок используют в качестве материала для ячеек памяти в устройствах вычислительной техники.
Альсиферы — сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный
состав альсифера: 9,5 % Si, 5,6 % Al, остальное Fe. Такой сплав отличается
твердостью и хрупкостью, но из него могут быть изготовлены фасонные отливки. Основные свойства альифера: µ
= 35500, µ
rн
= 120000, НС = 1,8 А/м,
r max
ρ = 0,8 мкОм⋅м.
111
Свойства железоникелевых сплавов (пермаллоев)
или ди
метр, мм
µ
µ
не менее
ρ
⋅
не менее
Холоднокатаные
0,02–2,50
Легированные,
Холоднокатаные
Холоднокатаные
0,02–2,50
Супермаллой 79 Ni,
до 150000
после термической обработки
Таблица 2.5
Группа Марка Вид продукции
Нелегированные,
низконикелевые
низконикелевые
Легированные,
высоконикелевые
5 Мо, 15 Fe, 0,5 Mn
45Н,
50Н
50НХС
79нм,
80НХС,
76НХД,
79нм-У
–
ленты,
горячекатаные ли-
сты,
прутки
ленты
ленты,
горячекатаные ли-
сты,
прутки
Листы 0,35 100000
Толщина
а-
н
r
r
max
НС, А/м
, Тл,
В
max
м,
, мкОм
3–22
1700–3000 16000–35000 32–10 1,50 0,45
8–10
0,02–1,00 1500–3200 15000–30000 20–8 1,00 0,90
3–22
16000–35000 50000–220000 5,2–1,0 0,65 0,55
8–10
0,3 0,80 0,60
при В = 0,3 Тл
112
2.10.4. Магнитомягкие ферриты
Феррит с высокой магнитной проницаемостью имеет максимальную ин-
дукцию свыше 0,3 Тл и малую коэрцитивную силу, около 16 А/м. Ферриты
с большим значением µ
, обладают и большим значением потерь, быстро рас-
∼
r
тущих с увеличением частоты. Магнитная проницаемость никель-цинковых
ферритов повышается с ростом температуры до точки Кюри, а затем резко падает. При этом чем выше значение начальной проницаемости, тем ниже будет
точка Кюри в пределах этой разновидности ферритов (ср. ферриты 4000нм и
3000нм или 2000НН и 400НН). Основные физические характеристики ферритов
следующие: плотность 4–5 Мг/м3, удельная теплоемкость около 0,7 кДж/(кг⋅К),
коэффициент теплопроводности примерно 5 Вт/(м⋅К), температурный коэффици-
ент линейного расширения около 10
-5 К-1
, удельное сопротивление 10-3–10
8
Ом⋅м.
Ферриты имеют относительно большую диэлектрическую проницаемость, зависящую от частоты и состава ферритов. С повышением частоты диэлектрическая проницаемость ферритов падает. Тангенс угла потерь ферритов — от 0,005 до 0,1. В ферритах наблюдается явление магнитострикции.
У различных ферритов этот эффект проявляется по-разному. Ферриты с низкой
температурой Кюри обладают меньшим магнитострикционным эффектом.
В настоящее время применяются следующие группы смешанных ферритов:
марганец-цинковые, никель-цинковые и литий-цинковые. Наиболее распространенная маркировка магнитомягких ферритов отражает следующее. Первое
число означает величину µ
пазон применения, ограничиваемый сверху значением f
, затем идут буквы, обозначающие частотный диа-
rн
. Под граничной часто-
гр
той понимают частоту, под которой начинается быстрый рост тангенса угла потерь феррита. Ферриты для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот
для краткости обозначают буквой Н (низкочастотные), Граничная частота их
для разных марок изменяется от 0,1 до 50 МГц. В маркировке высокочастотных
ферритов имеются буквы ВЧ, граничная частота их — от 50 до 600 МГц. Далее
в маркировке магнитомягких ферритов следуют буквы, обозначающие состав
материала: М, — марганеццинковый, Н — никель-цинковый и т.п. В маркировку СВЧ-ферритов введены цифровые индексы разновидностей этих материалов.
2.11. Магнитотвердые материалы
Магнитотвердые материалы применяются в основном для изготовления
постоянных магнитов многих устройств в электро- и радиотехнике, автоматике,
113
приборостроении, электронике. По сравнению с электромагнитами постоянного
тока имеют ряд преимуществ, главные из которых: повышенная работоспособность; экономия материалов и потребления энергии; экономическая и техническая выгода применения. Для получения высокой коэрцитивной силы в магнитных материалах, кроме выбора химического состава, используют технологии,
оптимизирующие кристаллическую структуру и затрудняющие процесс перемагничивания. Это закалка сталей на мартенсит, дисперсионное твердение
сплавов, создание высоких внутренних механических напряжений, создание
посторонних включений при высокой магнитострикции и других. В результате
затрудняются процессы смещения доменных границ. У высококоэрцитивных
сплавов магнитная текстура создается путем их охлаждения в сильном магнитном поле.
2.11.1. Сплавы на основе железа-никеля-алюминия
Сплавы на основе железа-никеля-алюминия применяют в основном легированные медью и кобальтом. Высококобальтовые сплавы с содержанием Со
более 15 % используют обычно с магнитной и кристаллической текстурой.
Намагничивание этих сплавов происходит главным образом за счет процессов
вращения векторов намагничивания. Эти сплавы отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому магниты из них изготавливают методом литья.
Обрабатываются шлифовкой, в том числе с применением алмазного инструмента, ультразвука и др. Самые дешевые бескобальтовые сплавы ЮНД и другие, но магнитные свойства у них относительно низки, где Ю — алюминий.
ЮНДК-15 и ЮНДК-18 — магнитоизотропные сплавы с относительно высокими магнитными свойствами.
Сплавы ЮНД с 24 % Со имеют высокие магнитные свойства в направлении магнитной текстуры, полученной при термомагнитной обработке.
ЮНДК-35Т5БА обладают наибольшей энергией W
max
(W
= 35–40 кДж/м3).
max
ЮНДК-40Т8 — титанистый сплав, применяемый в сильно разомкнутых
системах. Имеет наиболее высокую коэрцитивную силу.
2.11.2. Металлокерамические магниты
Получают методами порошковой металлургии из сплавов Fe-Ni-AI-Co и
из деформируемых сплавов Cu-Ni-Co, Cu-Ni-Fe, Fe-Co-Mo, Pt-Co и Ag-Mn-Al.
114
Механическая прочность их в 3–6 раз выше, чем у литых магнитов, но пористость в 3–5 % снижает W
на 10–20 %.
max
2.11.3. Магнитотвердые ферриты
Применяются главным образом феррит бария ВаО⋅6Fе
бальта CoО⋅Fe
и феррит стронция SrО⋅6Fе
2O4
. Высокая Нс этих материалов
2О3
, феррит ко-
2О3
связана с малым размером кристаллических зерен и сильной магнитокристаллической анизотропией. Магниты из ферритов можно использовать при высоких частотах, что связано с высоким удельным сопротивлением. У бариевых
4
ферритов, например, ρ = 10
7
–10
Ом⋅м. Промышленность выпускает бариевые
изотропные (БИ) и бариевые анизотропные (БА) магниты, получаемые прессованием в магнитном поле. Анизотропные магниты обладают более высокими
магнитными свойствами (W
имеют много большую H
, HС). По сравнению с литыми бариевые магниты
max
и малую Bs, отличаются высокой стабильностью
С
при воздействии магнитных полей, различных механических воздействий,
структурного старения.
Стоимость магнитов из ферритов почти в 10 раз меньше, чем у магнитов
из сплава ЮНДК-24. Недостатки — большая хрупкость и твердость, сильная
зависимость магнитных свойств от температуры.
2.11.4. Сплавы на основе редкоземельных металлов (РЗМ)
Сплавы на основе РЗМ (например: прометий металлический, церий металлический, гольмий металлический и т.д.) обладают очень высокими значениями Н
R
2Co17
пы W
, где R — редкоземельный металл. Для бинарных соединений этой груп-
max
нове самария и празеодима W
C
и W
. Наибольший интерес представляют соединения RCo5 и
max
=190 кДж/м3, для тройных сплавов типа R2(Co
= 240 кДж/м3 (теоретическое значение). Маг-
max
1-xFex
), где х < 0,6 на ос-
ниты из этих сплавов получаются наиболее часто жидкофазным спеканием
из порошков. Например, магниты на основе SmCo5 спекаются после прессования при температуре 1 100 °С в течение 30 минут в атмосфере чистого аргона.
115
ГЛАВА 3. ПОЛУПРОВОДНИКИ
3,00,08Δ −=W
3.1. Понятие о полупроводниках. Их классификация
Полупроводниками называются вещества, электропроводность которых
меньше, чем у проводников, но больше, чем у диэлектриков, зависит от наличия примесей, воздействия внешних энергетических факторов.
Наличие электропроводности у проводников зонная теория строения веществ объясняет существованием у них запрещенной зоны между валентной
зоной и зоной проводимости небольшой ширины
эВ. Вви-
ду сравнительно небольшой ширины запрещенной зоны уже при низких температурах энергии валентных электронов достаточно, чтобы они могли преодолеть запрещенную зону и попасть в зону проводимости. Наличие небольшой
концентрации электронов в зоне проводимости и обусловливает электропроводность полупроводников.
В соответствии с типом электропроводности полупроводники подразделяются на полупроводники типа n с электронной проводимостью и полупроводники типа p с дырочной проводимостью, что позволяет получить полупроводниковые изделия с p-n-переходом. К ним относятся различные типы как
мощных, так и маломощных выпрямителей, усилителей и генераторов. Полупроводниковые системы могут быть с успехом использованы для преобразования различных видов энергии в энергию электрического тока с такими значениями коэффициента преобразования, которые делают полупроводниковые преобразователи сравнимыми с существующими преобразователями других типов,
а иногда и превосходящими их. Примерами полупроводниковых преобразователей могут служить солнечные батареи и термоэлектрические генераторы. При
помощи полупроводников можно понизить температуру на несколько десятков
градусов.
Полупроводники могут служить также нагревательными элементами (силитовые стержни), индикаторами радиоактивных излучений, с их помощью
также можно измерять напряженность магнитного поля (преобразователи Холла) и т.д.
По химическому составу различают простые и сложные полупроводниковые композиции. Простые полупроводники состоят из атомов одного химического элемента. Простых полупроводников существует около десятка. В современной технике особое значение приобрели кремний, германий и частично селен. Сложные полупроводники — соединения элементов различных групп (А
IV
116
,
IV
III
, А
В
, ВV). К сложным полупроводниковым композициям можно отнести материалы с полупроводящей или проводящей фазой из карбида кремния и графита, сцепленных керамической или другой связкой. Наиболее распространенными из них являются тирит, силит и др.
По структуре строения их можно классифицировать на кристаллические и
аморфные.
Изготовленные из полупроводниковых материалов приборы обладают
преимуществами, к ним относятся:
1) большой срок службы;
2) малые габариты и масса;
3) простота и надежность конструкции, большая механическая прочность
(не боятся тряски и ударов);
4) отсутствие цепей накала при замене полупроводниковыми приборами
электронных ламп, потребление малой мощности и малая инерционность;
5) экономичность при массовом производстве.
3.2. Простые полупроводники
Простыми называют такие полупроводники, основной состав которых
образован атомами одного химического элемента. Большинство полупроводниковых материалов представляет собой кристаллические твердые вещества
с упорядоченной периодической структурой. Кристаллические вещества состоят из элементарных ячеек (решеток). Элементарная ячейка представляет собой
наименьший объем кристаллического вещества в виде параллелепипеда, перемещая который вдоль трех независимых направлений, можно получить кристалл.
Германий
Германий — один из наиболее тщательно изученных полупроводников, и
многие явления, характерные для полупроводников, впервые экспериментально
были обнаружены на этом материале.
Существование и основные свойства германия предсказал Д.И. Менделеев в 1870 году, назвав его экасилицием. В 1886 году немецкий химик К. Винклер обнаружил в минеральном сырье новый элемент, который он назвал германием. Германий оказался эквивалентен экасилицию. Содержание германия
в земной коре невелико, но встречается он в естественных условиях во многих
117
частях света. Выделяют германий из германийсодержащей руды чаще всего
в результате химической переработки сырья с помощью концентрированной
HCl в виде тетрахлорида германия GeCl
.
4
Тетрахлорид германия — летучая жидкость, которую подвергают глубокой очистке, используя методы экстракции и ректификации. После очистки
GeCl
GeО
токе очищенного водорода при температуре 6 500
гидролизуют водой, в результате чего получается диоксид германия
4
— порошок белого цвета. После просушки GeО2 восстанавливается в по-
2
о
С до элементарного германия, представляющего собой серый порошок. Восстановленный таким образом
германий подвергается травлению в смеси кислот, и его сплавляют в слитки.
Слитки используют в качестве исходного материала для получения особо чистого германия методом зонной плавки или же непосредственного получения
монокристаллов методом вытягивания из расплава.
Сущность метода зонной плавки заключается в том, что узкая расплавленная зона перемещается вдоль горизонтально расположенного образца, находящегося в графитовой или кварцевой «лодочке». Примеси, имеющиеся в образце, оттесняются к концу слитка. Для высококачественной очистки весь процесс повторяют много раз или используют установки более совершенной
конструкции, позволяющие создавать вдоль слитка одновременно четыре или
пять расплавленных зон. Этим способом получают монокристаллы германия
диаметром до 100 мм, а иногда и более.
Чистый германий обладает металлическим блеском, характеризуется относительно высокой твердостью и хрупкостью. Он кристаллизуется в структуре
алмаза, плавится при температуре 937 °С, плотность при температуре 25 °С
равна 5,33 г/см
3
. В твердом состоянии германий — типичный ковалентный кристалл. Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. Размельченный в порошок германий при нагревании на воздухе до температуры примерно 700 °С легко образует диоксид германия Ge0
2
Германий слабо растворим в воде и нерастворим в соляной и разбавленной серной кислотах. Активными растворителями германия в нормальных условиях
является смесь азотной и плавиковой кислот и раствор перекиси водорода.
При нагревании германий интенсивно взаимодействует с галогенами, серой и
сернокислыми соединениями.
Германий применяется для изготовления диодов различных типов, тран-
.
зисторов, датчиков ЭДС Холла, тензодатчиков. Оптические свойства германия
позволяют его использовать для изготовления фотодиодов и фототранзисторов,
118
модуляторов света, оптических фильтров, а также счетчиков ядерных частиц.
Рабочий диапазон температур германиевых приборов от –60 до +70 °С.
Кремний
В противоположность германию кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре; его содержание в ней примерно 29 %.
Однако в свободном состоянии в природе он не встречается, а имеется только
в соединениях в виде оксида и в солях кремниевых кислот. Чистота природного
оксида кремния в виде монокристаллов кварца иногда достигает 99,9 %; в ряде
месторождений чистота песка достигает 99,8–99,9 %. Технический кремний,
получаемый восстановлением природного диоксида Si0
(кремнезема) в элек-
2
трической дуге между графитовыми электродами, широко применяется в черной металлургии как легирующий элемент (например, трансформаторная сталь)
и как раскислитель при производстве стали. Технический кремний представляет собой мелкокристаллический спек, содержащий примерно 1 % примесей, и
как полупроводник использован быть не может. Он является исходным сырьем
для производства кремния полупроводниковой чистоты, содержание примесей
в котором должно быть менее 10
-6
%. Технология получения кремния полупро-
водниковой чистоты включает в себя следующие операции: превращение технического кремния в легколетучее соединение, которое после очистки может
быть легко восстановлено; очистка соединения физическими и химическими
методами; восстановление соединения с выделением чистого кремния; конечная очистка кремния методом бестигельной зонной плавки; выращивание монокристаллов. В полупроводниковом производстве наибольшее распространение получил метод водородного восстановления трихлорсилана SiНСl
. Его по-
3
лучают обработкой измельченного технического кремния сухим хлористым
водородом при температуре 300–400 °С:
Si + 3НСl ~ SiНСl
+ Н2.
3
Трихлорсилан представляет собой жидкость с температурой кипения
32 °С. Поэтому он легко очищается методами экстракции, адсорбции и ректификации. В отличие от германия, основная очистка кремния от примесей осуществляется химическими методами. Кристаллизационные методы имеют
цель — превратить поликристаллический кремний, полученный химическим
способом, в монокристаллы с определенными электрофизическими свойствами.
119
Объемные кристаллы кремния получают методами выращивания из расплава и
бестигельной вертикальной зонной плавки. Первый метод применяется, как
правило, для получения крупных монокристаллов с относительно небольшим
удельным сопротивлением (менее 2,5 Ом⋅м). Второй метод используется
для получения высокоомных монокристаллов кремния с малым содержанием
остаточных примесей. Следует заметить, что в технологическом отношении
кремний — более сложный материал, чем германий, так как он имеет высокую
температуру плавления (1 412 °С) и в расплавленном состоянии химически
весьма активен (вступает в реакцию со всеми тигельными материалами). Метод
вытягивания из расплава был ранее описан. Существенным недостатком этого
метода при использовании его для выращивания монокристаллов кремния является загрязнение кристаллов кислородом. Источником кислорода служит
кварцевый тигель, который взаимодействует с расплавом в соответствии с реакцией:
Si0
2(TB)
+ Si
~ 2SiO.
(ж)
Растворение кварца в кремнии не только приводит к насыщению кислородом, но при этом вводятся и другие примеси, загрязняющие кремний. Вертикальная бестигельная зонная плавка обеспечивает очистку кристаллов кремния
от примесей и возможность выращивания монокристаллов кремния с малым
содержанием кислорода. В этом методе узкая расплавленная зона удерживается
между твердыми частями слитка благодаря силам поверхностного натяжения.
Расплавление слитков осуществляется с помощью высокочастотного индуктора, работающего на частоте 5 МГц. Высокочастотное нагревание позволяет
проводить процесс бестигельной зонной плавки в вакууме и в атмосфере защитной среды. Методом вертикальной бестигельной зонной плавки получают
кристаллы кремния диаметром до 100 мм. Кристаллы кремния пиртипов получают введением при выращивании соответствующих примесей, среди которых
наиболее часто используются фосфор и бор. Такие кристаллы электронного и
дырочного кремния маркируются соответственно КЭФ и КДБ.
Кристаллический кремний при комнатных температурах обладает невысокой реакционной способностью; он весьма устойчив на воздухе, покрываясь
тонкой пленкой диоксида кремния. Кремний нерастворим в воде, не реагирует
со многими кислотами. Хорошо растворяется лишь в смеси азотной и плавиковой кислот и в кипящей щелочи.
120