Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Поэтому в практике важное значение имеют такие полупроводниковые материалы, у которых ощутимая концентрация собственных носителей заряда появляется при возможно более высокой температуре, т. е. полупроводники с достаточно широкой запрещенной зоной. В рабочем интервале температур поставщиками свободных носителей заряда являются примеси. Примесям в простых полупроводниках служат чужеродные атомы.
Под примесями в полупроводниковых химических соединениях понимают не только включения атомов посторонних элементов, но и избыточные по стехиометрическому составу атомы тех самых элементов, которые входят в химическую формулу самого соединения.
Кроме того, роль примесей играют всевозможные дефекты кристаллической решетки: пустые узлы, атомы или ионы, оказавшиеся в междуузлии решетки, дислокации или сдвиги, возникающие при пластической деформации кристалла, микротрещины и т. д.
Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, то они называются примесями замещения, если в междуузлии —то примесями внедрения.
28 Электронно-дыцрочный p-n переход. Выпрямительными свойствами обладает лишь p-n переход и контакт полупроводника с другими металлами. p-n переход представляет собой границу, отделяющую друг от друга области с дырочной и электронной проводимостью в примесном полупроводнике. Переход должен быть непрерывным. На рисунке показан нерезкий p-n переход для разомкнутой цепи. В цепи с переменным электрическим полем p-n переход работает как выпрямитель. На рисунке показана вольт-амперная характеристика p-n перехода, которая описывается выражением где Js - ток насыщения (при обратном включении p-n перехода этот ток равен обратному току); U - приложенное напряжение; q/kT=40 В-1 при комнатной температуре.
29 Германий Содержание германия в земной коре невелико и составляет около 7-10""%. В результате химической переработки исходного сырья образуется тетрахлорид германия, который путем дальнейших операций переводят в двуокись германия (Ge0g) — порошок белого цвета. Двуокись германия восстанавливается в водородной печи при температуре 650—700° С до элементарного германия, представляющего собой серый порошок. . При зонной плавке слиток германия 3 обычно помещают в графитовую лодочку 4, заключенную в кварцевую трубу /, по которой непрерывно проходит инертный газ (рис, 8-9). При помощи виткавысокочастотного контура 2 получают узкую зону плавления 5, которая медленно перемещается вдоль очищаемого образца, так как виток двигается вместе с кареткой 6. Для ускорения процесса очистки используется не один виток, а несколько, что эквивалентно нескольким последовательным очисткам при одном нагревателе. 30) Для получения монокристалла по методу вытягивания из расплава тщательно очищенный от примесей германий расплавляют в установке, Затравка выдерживается в расплаве, пока не сплавится с поверхности. Когда это достигнуто, затравку, вращая, начинают медленно поднимать. За затравкой тянется жидкий столбик расплава, удерживаемый поверхностным натяжением. Попадая в область низких температур над поверхностью тигля, расплав затвердевает, образуя одно целое с затравкой. Скорость вытягивания может изменяться в пределах от нескольких десятых мм/мин до нескольких мм/мин. Диаметр вытягиваемого слитка можно по желанию изменять, несколько понижая (увеличение диаметра) или повышая (уменьшение диаметра) температуру расплава. При необходимости получить монокристаллы строго постоянного диаметра по всей длине температура расплава должна поддерживаться постоянной с точностью до десятых долей градуса. В настоящее время этим способом получают монокристаллы германия диаметром до100ммиболее. 31 Кремний Кремний, как и германий, относится к ковалентным кристаллам четвертой группы таблицы Д. И. Менделеева и имеет кубическую решетку типа алмаза. Это один из наиболее распространенных элементов земной коры. Кремний получают чаще всего восстановлением парами цинка четыреххлористого кремния (SiCL, сильно летучая жидкость), при температуре порядка 1000° С в защитной атмосфере. Дальнейшая обработка кремния похожа на обработку германия, но сопряжена с большими технологическими трудностями, так как температура плавления кремния (см. табл. 8-4) значительно выше температуры плавления германия и близка к температуре размягчения кварцевого стекла; трубы из такого стекла применяют при операциях зонной плавки и очистки. Кроме того, следует помнить, что кремний реагирует с углеродом, а потому зонную плавку его ведут без графитовых лодочек, при вертикально расположенных образцах. При зонной плавке нижняя часть образца не отрывается от верхней вследствие большого поверхностного натяжения жидкого кремния (табл. 8-4). Электропроводность кремния, как и германия, очень сильно зависит от присутствия примесей. На рис. 8-21 приведена зависимость удельного сопротивления электронного и дырочного кремния от концентрации носителей заряда, а на рис. 8-22—температурная зависимость удельного сопротивления для электронного кремния. Аналогичные кривые получаются и для кремния с дырочной электропроводностью. 32) Карби́д кре́мния (карбору́нд) — бинарное неорганическое химическое соединение кремния с углеродом. Химическая формула SiC. В природе встречается в виде чрезвычайно редкого минерала — муассанита. Порошок карбида кремния был получен в 1893 году. Используется как абразив, полупроводник, искусственные драгоценные камни Природный карбид кремния — муассанит можно найти только в ничтожно малых количествах в некоторых типах метеоритов и в месторождениях корунда и кимберлита. Практически любой карбид кремния, продаваемый в мире, в том числе и в виде муассанитового украшения, является синтетическим. Из-за редкости нахождения в природе муассанита, карбид кремния, как правило, имеет искусственное происхождение. Простейшим способом производства является спеканиекремнезема с углеродом в графитовой электропечи Ачесона при высокой температуре 1600—2500 °C: 33) Арсени́д га́ллия (GaAs) — химическое соединение галлия и мышьяка. Важный полупроводник, третий по масштабам использования в промышленности после кремния и германия. Используется для создания сверхвысокочастотныхинтегральных схем и транзисторов, светодиодов, лазерных диодов, диодов Ганна, туннельных диодов, фотоприёмников и детекторов ядерных излучений. Некоторые электронные свойства GaAs превосходят свойства кремния. Арсенид галлия обладает более высокой подвижностью электронов, которая позволяет приборам работать на частотах до 250 ГГц. Полупроводниковые приборы на основе GaAs генерируют меньше шума, чем кремниевые приборы на той же частоте. Из-за более высокой напряженности электрического поля пробоя в GaAs по сравнению с Si приборы из арсенида галлия могут работать при большей мощности. Эти свойства делают GaAs широко используемым в полупроводниковых лазерах, некоторых радарных системах. Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия имеют более высокую радиационную стойкость, чем кремниевые, что обусловливает их использование в условиях радиационного излучения (например, в солнечных батареях, работающих в космосе).GaAs — прямозонный полупроводник, что также является его преимуществом. GaAs может быть использован в приборах оптоэлектроники: светодиодах, полупроводниковых лазерах. Антимонид индия — кристаллическое бинарное неорганическое химическое соединение, соединение индия и сурьмы. Химическая формула InSb. Используется в полупроводниковых инфракрасных фоточувствительных датчиках, например, инфракрасных головках самонаведения (ИКГСН), для самонаведения ракет по ИК-излучению цели, в инфракрасной астрономии. 34) Биполярным транзистором, или просто транзистором, называется полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний и представляющий собой пластину кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда имеют одинаковый тип проводимости, а средняя — противоположный тип проводимости. Транзисторы, у которых крайние области обладают электронной проводимостью, а средняя — дырочной называются транзисторами n-р-n-типа (рисунок 1,а); транзисторы у которых крайние области обладают дырочной, а средняя -электронной проводимостями, называются транзисторами р-n-р-типа (рисунок 1,6). Физические процессы, происходящие в транзисторах двух типов, аналогичны; различие между ними заключается в том, что полярности включения источников питания их противоположны, а также в том, что если в транзисторе n-р-n-типа электрическиq ток создается в основном электронами, то в транзисторе р-n-р-типа — дырками. Смежные области, отделенные друг от друга р-n-переходами, называются эмиттером Э, базой Б и коллектором К. Эмиттер является областью, испускающей (эмитирующей) носители зарядов электронов в транзисторе n-р-n-типа и дырок в транзисторе р-n-р-типа; коллектор — область, собирающая носители зарядов; база—средняя область, основание. В условиях работы транзистора к левому р-n-переходу прикладывается напряжение эмиттер — база Uэ-б в прямом направлении а к правому р-n-переходу база — коллектор Uб_к в обратном. Под действием электрического поля большая часть носителей зарядов из левой области (эмиттера), преодолевая р-n-переход переходит в очень узкую среднюю область (базу). Далее большая часть носителей зарядов продолжает двигаться ко второму переходу и, приближаясь к нему, попадают в электрическое поле, созданное внешним источником U э-к. Под влиянием этого поля носители зарядов втягиваются в правую область (коллектор), увеличивая ток в цепи батареи Uэ-к . Если увеличить напряжение U э-б, то возрастет количество носителей зарядов, перешедшие из эмиттера в базу, т. е. увеличится ток эмиттера на I э-б . При этом также увеличится ток коллектора на I б-к. В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из эмиттера, рекомбинирует со свободными носителями зарядов| противоположной полярности, убыль которых пополняется новым носителями зарядов из внешней цепи, образующими ток базы Iб .Таким образом, ток коллектора Iк=Iэ—Iб окажется незначительна меньше тока эмиттера. Отношение α= I к/I э при Uб-к = const, называется коэффициентом усиления по току и обычно имеет значение α = 0,9…0,995. 35) Полупроводниковый диод (вентиль) представляет собой контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводимостью (п-типа), а другой — с дырочной(р-типа, рисунок 1,а). В результате большой концентрации электронов в полупроводнике n они будут диффузировать из первого полупроводника во второй. Аналогично будет происходить диффузия дырок из второго р-типа полупроводника в первый n-типа. В тонком пограничном слое полупроводника n -типа возникает положительный заряд, а в пограничном слое полупроводника р-типа — отрицательный заряд. Между этими слоями возникает разность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле напряженностью Еn, которая препятствует диффузии электронов и дырок из одного полупроводника в другой. Таким образом, на границе двух полупроводников возникает тонкий слой, обедненный носителями зарядов (электронов и дырок) и обладающий большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим или р-п-переходом. 36) Классификация ИС Интегральной схемой называется совокупность нескольких взаимосвязанных элементов, изготовленных в едином технологическом цикле, на одной подложке. ИС выполняет функцию определенного устройства .ИС делят на три типа: гибридные, пленочные и полупроводниковые. Гибридной схемой является ИС, в которой пассивные элементы (резисторы, конденсаторы …) выполнены в едином технологическом цикле на одной изолирующей подложке, а активные элементы (диоды, транзисторы… ) являются навесными, т.е. обычными дискретными полупроводниковыми приборами, но без своих собственных корпусов. Пассивные элементы ( к ним относятся и токопроводящие дорожки) в гибридной схеме выполняются в виде поликристаллических или аморфных пленок.Пленочной схемой является ИС, в которой не только пассивные, но и активные элементы выполнены в виде пленок. К тонкопленочным схемам условно относят ИС с толщиной пленок до 1 мкм, а к толстопленочным – ИС с толщиной пленок свыше 1 мкм .Полупроводниковой схемой является ИС, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла.Основной технологией изготовления полупроводниковых ИС является планарная технология. Кроме того используются методы эпитаксиального выращивания монокристаллических пленок.ИС разрабатываются предприятиями-изготовителями в виде серий. Каждая серия характеризуется степенью комплектности. Серия содержит несколько ИС различных типов, которые могут делиться на типономиналы. К серии ИС относят совокупность ИС, которые могут выполнять различные функции , но имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного использования. Под типономиналом понимается ИС , имеющая конкретное функциональное назначение и свое условное обозначение. Элементом схемы ИС называют часть схемы, реализующую какую-либо функцию полупроводникового прибора, которая выполнена неразрывно от кристалла и не может быть выделена как самостоятельное изделие.В зависимости от числа элементов в ИС принято деление схем по степени интеграции. ИС первой степени называют ИС , содержащие до 10 элементов, второй степени – до 100, третьей – до 1000 и т. д. 37) Классификация магнитных материаловМатериалы, которые под действием внешнего магнитного поля намагничиваются, называются магнитными.Основной причиной магнитных свойств материалов являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, которыми является вращение электронов вокруг собственных осей и орбитальное вращение электронов в атомах.Свойства магнитных материалов оцениваются 38) Свойства магнитных материалов оцениваются магнитными характеристиками.Магнитная индукция - векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, которая действует на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.Магнитная проницаемость определяет способность материала к намагничиванию: чем она больше, тем легче намагничивается материал и наоборот.Каждый магнитный материал обладает магнитными свойствами только до определенной температуры – температуры Кюри, по достижении которой магнитные свойства материала исчезают, т.е. он не может быть намагничен.Индукцией насыщения определяют свойства магнитного материала, поведение которого в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания. Эта кривая показывает изменение магнитной индукции в зависимости от напряженности электромагнитного поля.Все существующие в природе вещества по их магнитным свойствам подразделяются на 3 группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Отличие заключается в значении магнитной проницаемости вещества.Магнитная проницаемость диамагнетиков 1, парамагнетиков 1, но обе близки к единице.В качестве магнитных материалов техническое значение имеют ферромагнитные вещества и ферромагнитные химические соединения (ферриты). Магнитная проницаемость ферромагнетиков достигает десятков тысяч. Диамагнетик, помещенный в магнитное поле, сам слегка намагничивается навстречу направлению действующего на него магнитного поля. Эта намагниченность приводит к уменьшению магнитной индукции внутри диамагнетика по сравнению с индукцией, которая была в той точке магнитного поля до помещения в нее диамагнетика.Парамагнетики, наоборот, слегка намагничиваются по направлению действующего на него поля.Ферромагнетики, благодаря очень большой магнитной проницаемости сильно намагничиваются по направлению действующего магнитного поля.К диамагнетикам относятся инертные газы, азот, водород, кремний, фосфор, сера, медь, цинк, серебро, золото и т. д. К парамагнетикам - кислород, щелочные и щелочноземельные металлы ( калий, натрий, кальций), алюминий, многие соли.К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и специальные сплавы ( железа, никеля, кобальта, хрома, марганца …)Экспериментально установлено, что намагничивание магнитных материалов обладает анизотропией, т.е. существенно зависит от направления магнитного поля в кристалле; вдоль одних осей кристалла намагничивание протекает быстрее (оси легкого намагничивания), а вдоль других - медленнее (оси трудного намагничивания). Например, у железа, имеющего структуру объемно центрированного куба, ось легкого намагничивания совпадает с ребром куба, а ось трудного намагничивания - с диагональю куба. Для никеля, имеющего структуру гранецентрированного куба, наоборот, ось легкого намагничивания совпадает с диагональю куба, а ось трудного намагничивания - с ребром куба.Поликристаллические материалы не имеют ярко выраженных осей, поскольку кристаллиты ориентированы произвольно, обладают анизотропией магнитных свойств, имеют магнитную текстуру, которая, как правило, наводится внешними воздействиями на материал (прессование в магнитном поле, прокатка и др.). Текстурованные материалы имеют повышенные магнитные характеристики и широко используются в технике.При намагничивании магнитных материалов наблюдается изменение их размеров и формы, такое явление называется магнитострикции. Магнитострикция может быть объемной (изменение объема тела) и линейной (изменение размеров тела). По природе линейная магнитострикция анизотропна. Например, для монокристаллического железа, намагниченного в направлении ребра куба, линейные размеры в этом направлении уменьшаются, при намагничивании вдоль диагонали куба - увеличиваются, т.е. магнитострикция может быть положительной и отрицательной.Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с тепловыми потерями части энергии магнитного поля, что внешне проявляется в нагревании материала. По механизму возникновения различают потери на гистерезис и динамические. Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением границ доменов. Они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного поля. Динамические потери вызываются вихревыми токами, индуктированными в массе магнитного материала, а отчасти и так называемым магнитным последействием, или магнитной вязкостью. Потери на вихревые токи зависят от электрического сопротивления ферромагнетика. Чем выше удельное сопротивление ферромагнетика, тем меньше потери на вихревые токи 39НАМАГНИЧИВАНИЕ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ При увеличении напряженности магнитного поля Н индукция В очень быстро возрастает, затем ее рост замедляется и при достаточно большой напряженности индукция почти не изменяется при увеличении напряженности Н Если ферромагнетик раньше не намагничивался, то процесс намагничивания идет по кривой ОА, которую называют кривой первоначального намагничивания. Это объясняется тем, что пока идет намагничивание доменов по направлению внешнего поля, индукция быстро растет. Когда ферромагнетик намагнитится до насыщения, дальнейший рост индукции В почти не наблюдается. Если затем постепенно уменьшать напряженность, то размагничивание будет идти по кривой АС и при Н=0 ферромагнетик остается намагниченным, т.к. значение индукции внутри него равно отрезку ОС. Таким образом, значение индукции зависит не только от напряженности, но и от того, как был намагничен ферромагнетик раньше.При размагничивании индукция спадает медленнее, чем нарастала намагничивании. Это явление называется магнитным гистерезисом (запаздывание)Величина индукции, сохраняющаяся в ферромагнетике после снятия поля, называется остаточной индукцией ОСЧтобы размагнитить Ферромагнетик, нужно снять остаточную индукцию. Для этого необходимо создать поле противоположного направления. Изменение индукции в поле противоположного направления изобразится кривой СВД.Напряженность поля (отрезок ОВ), при которой индукция равна нулю, называется коэрцитивной силой или напряженностью. При периодическом перемагничивании ферромагнетика переменным магнитным полем кривая индукции образует замкнутую кривую, которую называют петлей гистерезиса. Площадь петли пропорциональна энергии, затраченной на процесс перемагничивания ферромагнетика. Эта энергия превращается во внутреннюю энергию ферромагнетика, поэтому при периодическом перемагничивании ферромагнетик должен нагреваться.Ферромагнетик с большой площадью петли гистерезиса называют жестким, а с маленькой площадью – мягким.Свойства ферромагнетиков объясняются наличием в них областей, которые в отсутствии магнитного поля самопроизвольно намагничены до насыщения. Эти области называют доменами. Расположение и намагниченность этих областей такова, что в отсутствие поля общая намагниченность всего тела равна нулю.Магнитные свойства ферромагнетиков зависят от температуры. При нагревании магнитная проницаемость ферромагнетиков уменьшается, и при достаточно большой температуре в них происходит распад доменов. При этом ферромагнетик превращается в парамагнетик. Температура, при которой происходит такое превращение, называют точкой Кюри. Если вещество охладить, то оно снова превращается в ферромагнетик. При температурах выше точки Кюри области спонтанного ,намагничивания нарушаются тепловым движением и материал перестает быть магнитным. Для чистого железа точка Кюри составляет 768°С, для никеля 358° С, для кобальта 1131° С. Максимальное значение намагниченности называется намагниченностью насыщения Магнитное насыщение достигается тогда, когда рост доменов прекратится, и магнитные моменты всех спонтанно намагниченных микрокристаллических участков окажутся ориентированными в направлении поля. 40) Магнитные материалы, применяющиеся в электротехнике, можно подразделить на :1) магнитномягкие материалы ;2) магнитнотвердые материалы; 3) материалы специализированного назначения. Термины «магнитомягкие» и «магнитотвердые» не относятся к механическим свойствам материала. Некоторые механически твердые материалы являются магнитомягкими, а механически мягкие материалы могут относиться к магнитотвердым. Основанием для деления магнитных материалов на магнитомягкие и магнитотвердые являются следующие особенности. Процессы намагничивания материалов обеих групп протекают одинаково: на первом этапе происходит смещение границ доменов, на втором - вращение магнитных моментов доменов в направлении намагничивающего поля, на третьем - парапроцесс. Согласно кривой намагничивания смещение границ доменов требует меньших энергетических затрат, чем процессы вращения магнитных моментов и парапроцесс. В магнитомягких материалах намагничивание происходит в основном за счет смещения границ доменов. Магнитотвердые материалы намагничиваются преимущественно за счет вращения векторов намагничивания и парапроцесса. Форма петли гистерезиса обеих групп материалов (рисунок 2), индукция насыщения Вs и остаточная индукция Вс примерно одинаковы, однако разница в коэрцитивной силе Hc достигает очень большого значения. Так, для магнитотвердых материалов наибольшая коэрцитивная сила Hc = 800 кА/м, а для магнитомягких материалов наименьшая коэрцитивная сила Hc = 0,4 А/м, т. е. различие составляет 2*106 раз.Исходя из различий в коэрцитивной силе условно принято деление на магнитомягкие и магнитотвердые.Магнитомягкие материалы имеют малое значение коэрцитивной силы Нс, поэтому способны намагничиваться до насыщения даже в слабых магнитных полях. Они обладают следующими свойствами:узкая петля гистерезиса небольшой площади при высоких значениях индукции и небольшой коэрцитивной силой Нс <4 кА/м (см. рисунок 2, а, б, в);однородность структуры;минимальные механические напряжения;минимальное количество примесей и включений;незначительная кристаллографическая анизотропия.Магнитомягкие материалы с округлой петлей гистерезиса применяют для работы в низкочастотных магнитных полях. Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса применяют для изготовления устройств магнитной памяти.Магнитотвердые материалы имеют большие значения коэрцитивной силы Нс, трудно намагничиваются, но способны длительное время сохранять намагниченность. Они обладают широкой петлей гистерезиса с большой коэрцитивной слой Нс >4 кА/м (рисунок 2, г) и наличием однодоменных структур, возникающих и небольших объемах магнитного вещества.Магнитотвердые материалы служат для изготовления постоянных магнитов.Особую группу составляют материалы особого назначения, которые имеют сравнительно узкую область применения.
41) МАГНИТНОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Материалы с малым значением Нс и большой величиной магнитной проницаемости называются магнитномягкими материалами Магнитномягкие материалы, обладая высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис, используются в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов, в измерительных приборах и в ряде других случаев, где необходимо при наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей индукции.Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах используют магнитномягкие материалы с большим электрическим сопротивлением, обычно применяя магнитопроводы, собранные из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. 3.1 Железо Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства. Благодаря сравнительно низкому электрическому сопротивлению технически чистое железо используется довольно редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока 42)Пермаллои Железо-никелевые сплавы, называемые пермаллоями, обладают весьма большим значением начальной магнитной проницаемости в области слабых полей. Различают высоконикелевые (72—80% Ni) и низконикелевые пермаллои (40—50%). Введение в состав пермаллоя примесей Мо, Сr, Si, Мn повышает его удельное сопротивление. Примесь молибдена способствует также уменьшению чувствительности пермаллоя к деформациям, а примесь меди приводит к повышению постоянства магнитной проницаемости в узких интервалах напряженности поля. Высоконикелевый пермаллой различных марок применяется для сердечников малогабаритных дросселей, слаботочных малогабаритных трансформаторов звукового диапазона и импульсных трансформаторов, а также в магнитных усилителях Низконикелевый пермаллой имеет индукцию насыщения почти вдвое выше, чем высоконикелевый, что позволяет применять низконикелевые сплавы в силовых трансформаторах, дросселях и других приборах, где требуется высокая концентрация магнитного потока. Пермаллои очень чувствительны к механическим воздействиям. 43) Альсиферы Сплавы железа с кремнием и алюминием (тройные сплавы А1—Si—Fe) носят название альсиферов. Оптимальный состав альсифера: 9,5% Si, 5,6% А1, остальное—Fe. Такой сплав отличается твердостью и хрупкостью, но может быть изготовлен в виде фасонных отливок. Изделия из альсифера: магнитные экраны, корпусы приборов и т.д.— изготовляются методами литья с толщиной стенок не менее 2—3 мм ввиду хрупкости сплава. Эта особенность ограничивает применение данного материала.Благодаря хрупкости альсифера его можно размалывать в порошок и использовать наряду с карбонильным железом для изготовления высокочастотных прессованных сердечников. 44) Специальные магнитномягкие ферромагнетики В особую подгруппу можно выделить магнитномягкие материалы, применение которых основано на наличии у них тех или иных особенностей магнитных свойств, определяемых структурой и составом. К таким материалам можно отнести:
1) сплавы, отличающиеся незначительным изменением магнитной проницаемости при изменении напряженности поля;
2) сплавы с резкой зависимостью магнитной проницаемости от температуры;
3) сплавы с высокой магнитострикцией;
4) сплавы с особо высокой индукцией насыщения.
К первым относится сплав, получивший название перминвара. Перминвар представляет собой тройной сплав Fe—Ni—Со с содержанием этих компонентов соответственно 25, 45 и 30%.
Сплав подвергают отжигу при 1 000°С, после чего выдерживают при 400—500° С и медленно охлаждают. Перминвар имеет небольшую коэрцитивную силу Нс; недостаточно стабилен в магнитном отношении, чувствителен к влиянию температуры и механическим напряжениям.
Более удовлетворительной стабильностью магнитной проницаемости отличается сплав, именуемый изоперм, в состав которого входят железо, никель и алюминий или медь.
Ко вторым относятся термомагнитные сплавы на основе: Ni—Си, Fe—Ni и Fe—Ni—Сг. Эти сплавы применяются для компенсации температурной погрешности в установках, вызываемой изменением индукции постоянных магнитов или сопротивления проводов в магнитоэлектрических приборах по сравнению с тем значением, при котором производилась градуировка. К третьим относятся сплавы с высокой магнитострикцией: Fe—Сг, Fe—Со и Fe—А1. Такие сплавы находят применение в виде сердечников генераторов акустических колебаний при звуковых и ультразвуковых частотах. Магнитострикция этих сплавов имеет положительный знак. В качестве материала, пригодного для указанной цели, может быть также использован в тонких листах весьма чистыйникель,обладающийбольшойотрицательноймагнитострикцией. К четвертым относятся железо-кобальтовые сплавы, обладающие особо высокой индукцией насыщения, большей, чем у всех известных ферромагнетиков; электрическое сопротивление таких сплавов невелико. Сплавы, содержащие от 50 до 70% Со, называются пермендюрами. Пермендюры могут применяться вследствие их высокой стоимости только в специальной аппаратуре, в частности в динамических репродукторах, осциллографах, телефонных мембранах и т. д. 45) Ферриты Ферримагнетиками являются сложные оксидные материалы, получившие в практике название ферритов.Ферримагнетики отличаются от ферромагнетиков меньшей величиной индукции, имеют более сложную температурную зависимость индукции и повышенное, а для некоторых материалов и очень высокое значение удельного сопротивления. Первые два отличия упрощенно могут быть объяснены наличием в структуре сложного материала двух подрешеток, создающих встречные нескомпенсированные магнитные потоки, третье — тем, что эти материалы относятся к неметаллам. Ферриты представляют собой магнитную керамику с незначительной электронной электропроводностью, вследствие чего они могут быть отнесены к электронным полупроводникам. Ферриты представляют собой системы из окислов железа и окислов двухвалентных, реже одновалентных металлов, соответствующие общей формуле, Технология изготовления ферритов оказывает существенное влияние на получаемые свойства готовых изделий. Технологический процесс производства ферритовых изделий сводится к тому, что предварительно получают ферритный порошок, в него добавляют пластификатор и из полученной массы прессуют под большим давлением изделия требуемой формы. Изделия подвергают обжигу, при этом происходит спекание твердых растворов ферритов. Усадка ферритов при обжиге может достичь 20 %. Ферриты — твердые и хрупкие материалы, не позволяющие производить обработку резанием и допускающие только шлифовку и полировку.4.3 Магнитномягкие ферриты Ферриты имеют относительно большую диэлектрическую проницаемость, зависящую от частоты и состава ферритов. С повышением частоты диэлектрическая проницаемость ферритов падает.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 находят основное применение следующие группы смешанных ферритов: марганец-цинковые, никель-цинковые, литий-цинковые смешанные ферриты. Наиболее распространенная маркировка магнитномягких ферритов отражает следующее. Первым стоит численное значение магнитной проницаемости, затем идут буквы, обозначающие частотный диапазон применения, ограничиваемый сверху значением граничной частоты. Под граничной частотой понимают частоту, при 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 может лежать в пределах от 0,2 до 20 Мгц. В маркировке высокочастотных ферритов имеются буквы ВЧ, граничная частота их—от 20 до 300 Мгц. Далее в маркировке магнитномягких ферритов следуют буквы, обозначающие состав материала: М — марганец-цинковый, Н — никель-цинковый и т. п. В маркировке СВЧ ферритов введены цифровые индексы разновидностей этих материалов. 46) Высокочастотные ферромагнетикиКроме магнитномягких ферритов, при высоких частотах могут применяться тонколистовые рулонные холоднокатаные электротехнические стали, пермаллои и магнитодиэлектрики.Толщина сталей достигает -25—30 мк, а пермаллои, как механически более мягкий сплав, может быть получен толщиной до 2—3 мк. Основные магнитные свойства таких тонких материалов близки к свойствам материалов больших толщин, стоимость их повышена, а технология сборки магнитных цепей из них достаточно сложна. Магнитодиэлектрики получают путем прессовки порошкообразного ферромагнетика с изолирующей органической или неорганической связкой, В качестве основы применяют карбонильное железо пермаллои, альсифер и др. Изолирующей связкой служат фенолоформальдегидные смолы, полистирол, стекло и др. От основы требуется наличие высоких магнитных свойств, от связки — способность образовывать между зернами сплошную без разрыва изолирующую пленку. Такая пленка должна быть по возможности одинаковой толщины и прочно связывать зерна между собой. 47) Ферриты с ППГ Для запоминающих устройств счетно-вычислительной техники особенный интерес представляют ферриты, обладающие прямоугольной формой петли гистерезиса. К материалам и изделиям этого типа предъявляется ряд специфических требований, и для их характеристики используются некоторые дополнительные параметры. Основным из таких параметров является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, представляющий собой отношение остаточной индукции к максимальной индукции. Желательно, чтобы этот коэффициент был возможно ближе к единице. Для обеспечения быстрого перемагничивания сердечников они должны иметь небольшой коэффициент переключения Sg. Коэффициент Sg численно равен количеству электричества на единицу толщины сердечника, необходимому для перемагничивания его из одного состояния остаточной индукции в противоположное состояние максимальной индукции. Кроме того, материалы с ППГ должны обеспечивать малое время перемагничивания, возможно большую температурную стабильность магнитных характеристик, а, следовательно, иметь высокую точку Кюри и некоторые другие свойства. Ферриты с ППГ получили наибольшее распространение по сравнению с металлическими тонкими лентами, что объясняется существенно более простой технологией изготовления сердечников и соображениями экономического характера. При использовании ферритов следует учитывать изменение их свойств с температурой; так, при изменении температуры от —20 до +60° С у ферритов различных марок коэрцитивная сила уменьшается в 1,5—2 раза, остаточная индукция — на 5—35%. Из ферритов методом прессовки в прессформах могут быть изготовлены изделия сложной конфигурации с большим числом отверстий, в виде пластин, колец, стержней и т.д. 48) МАГНИТНОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ Материалы с большой коэрцитивной силой и сравнительно малой проницаемостью носят название м а гнитнотвердых материалов Из_магнитнотвердых_материалов_изготовляются_постоянные_магниты 1) легированные стали, закаливаемые на мартенсит; 2) литые магнитнотвердые сплавы; 3) магниты из порошков; 4) магнитнотвердые ферриты. Характеристиками материалов для постоянных магнитов служат коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство. Магнитная проницаемость материалов для постоянных магнитов ниже, чем магнитно-мягких материалов, причем, чем выше коэрцитивная сила, тем меньше магнитная проницаемость. Магнит в замкнутом состоянии (в виде тороида) не отдает энергию во внешнее пространство. При наличии воздушного зазора между полюсами возникает отдача энергии в пространство, величина которой зависит от длины зазора, причем индукция В, в промежутке будет меньше остаточной индукции вследствие размагничивающего действия полюсов магнита.Постоянные магниты, как известно, имеют самое широкое применение. Они разнообразны по конструкции, по габаритам. Легированные стали, закаливаемые на мартенсит являются наиболее простым и доступным материалом для постоянных магнитов. Они легируются добавками вольфрама, хрома, молибдена, кобальта 49) Литые магнитнотвердые сплавы Большую магнитную энергию имеют тройные сплавы А1—- Ni—Fe, которые раньше называли сплавами альни. При добавлении кобальта или кремния в эти сплавы их магнитные свойства повышаются. Сплав альни с добавкой кремния называли альниси, а сплав альни с кобальтом —альнико; сплав альнико с наибольшим содержанием кобальта получил название магнико.В настоящее время каждый из сплавов получил свою марку, состоящую из букв и цифр, однако в заводских чертежах можно встретить прежние названия сплавов, которые были весьма наглядными и удобными. Магнитные свойства магнитнотвердых материалов зависят от кристаллографической и магнитной текстур. У всех магнитно-твердых материалов наилучшие магнитные свойства достигаются при значительном искажении решетки.Резко улучшенные магнитные свойства сплава магнико обусловлены не только его составом, но и специальной обработкой —охлаждением магнитов после отливки в сильном магнитном поле. В отношении магнитных характеристик сплав магнико анизотропен: наилучшие свойства он обнаруживает в том направлении, в котором при охлаждении на него действовало магнитное поле.Магниты из сплава магнико при равной магнитной энергии в 4 раза легче магнитов из сплава альни и в 22 раза легче, чем магниты из обычной хромистой стали.Недостатком сплавов типа альни, альнико и магнико является трудность изготовления из них изделий точных размеров вследствие хрупкости и твердости сплавов, допускающих обработку только путем шлифовки.В марках сплавов приняты следующие обозначения: Ю — алюминий, Н — никель, Д — медь, К — кобальт, Т — титан, Б —ниобий, А — кристаллическая текстура. Магнитная текстура не обозначается, но подразумевается всегда при содержании кобальта в сплаве свыше 15%. Цифра в маркировке подчеркивает содержание того металла, буква которого стоит перед этой цифрой 50) Невозможность получения особенно мелких изделий со строго выдержанными размерами из литых железо-никель-алюминиевых сплавов обусловила привлечение методов порошковой металлургии для производства постоянных магнитов. При этом следует различать металлокерамические магниты и магниты из зерен порошка, скрепленных тем или иным связующим веществом (металлопластические магниты).Изготовление первых сводится к прессовке порошка, состоящего из измельченных тонкодисперсных магнитнотвердых сплавов, и к дальнейшему спеканию при высоких температурах по аналогии с процессами обжига керамики. Мелкие детали при такой техноло-гии получаются достаточно точных размеров и, не требуют дальнейшей обработки. Изготовление вторых аналогично прессовке деталей из пластмасс, только в порошке содержится наполнитель в виде зерен измельченного магнитнотвердого сплава. Из-за жесткого наполнителя необходимы более высокие удельные давления на материал. Металлопорошковые магниты экономически выгодны при массовом автоматизированном производстве, сложной конфигурации и небольших размерах магнитов. Металлопластическая технология позволяет получать магниты с арматурой.Металлокерамические магниты обычно имеют пористость 3—5%, а запасенная магнитная энергия и остаточная индукция у них на 10—20% ниже, чем у литых магнитов из соответствующего сплава, зато по механической прочности они превосходят литые магнитыв 3—-6 раз. Магнитные свойства металлопластических магнитов значительно понижены. Коэрцитивная сила снижается на 10—15%, остаточная индукция на 35—50%, а запасенная магнитная энергия на 40—60% по сравнению с литыми магнитами. Понижение магнитных свойств объясняется большим содержанием (до 30%) немагнитного связующего вещества. Металлопластические магниты обладают высоким электрическим сопротивлением, что позволяет применять их в аппаратуре с наличием переменного магнитного поля повышенной частоты. 51) Магнитнотвердые ферриты Из магнитнотвердых ферритов наиболее известен бариевый феррит BaO*6Fe2O3 (ферроксдюр). В отличие от магнитномягких ферритов, он имеет не кубическую, а гексагональную кристаллическую решетку с одноосной анизотропией. В настоящее время промышленность выпускает два вида бариевых магнитов: марки БИ (бариевые изотропные) и марок БА (бариевые анизотропные). Бариевые магниты целесообразно изготовлять в виде шайб и тонких дисков, они отличаются высокой стабильностью в отношении воздействия внешних магнитных полей и не боятся тряски и ударов. Плотность бариевого феррита примерно в 1,5 раза меньше плотности литых железо-никель-алюминиевых сплавов, магниты получаются легкими. Удельное сопротивление бариевого феррита в миллионы раз выше удельного сопротивления литых металлических магнитнотвердых сплавов. Магниты из бариевого феррита можно использовать при высоких частотах. Наконец, и по стоимости они почти в 10 раз дешевле магнитов из ЮНДК24. К недостаткам бариевых магнитов следует отнести низкую механическую прочность, большую хрупкость, сильную зависимость магнитных свойств от температуры, т. е. на порядок больше, чем у литых магнитов. Кроме того, они обнаруживают необратимое изменение магнитных свойств после охлаждения от комнатной до низких температур (—60° С), и нагрева до первоначальной температуры. Викаллой относится к ковким магнитнотвердым сплавам, из которых можно изготовлять ленту и проволоку Из сравнения характеристик металлических и неметаллических магнитнотвердых материалов видно, что как первые, так и вторые могут иметь высокие значения коэрцитивной силы и запасенной магнитной энергии. Преимуществом металлических магнитов является повышенная механическая прочность. 52) 1.КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ Катушка индуктивности представляет собой электрорадиоэлемент, имеющий спиральную обмотку и способный концентрировать в своем объеме или на плоскости электромагнитное поле .Катушки индуктивности применяются в качестве элементов колебательных контуров, дросселей, а также для связи цепей между собой. Катушка индуктивности, служащая для разделения постоянного и переменного токов или токов разных частот, называется дросселем. По назначению катушки индуктивности подразделяют на: Катушки индуктивности позволяют создавать магнитное поле при прохождении тока через них или запасать электрическую энергию в магнитном поле. В цепях переменного тока катушки и дроссели ведут себя как реактивные резисторы, сопротивление которых растет с увеличением частоты. Применение сердечника приводит к увеличению индуктивности катушки, а с другой стороны дает возможность легко и просто изменить ее индуктивность в определенных пределах. В высокочастотных узлах и цепях радиотехнической аппаратуры применяют самые разнообразные по назначению и устройству катушки индуктивности. В отличие от сопротивлений и конденсаторов промышленность не выпускает их в массовом количестве. Это связано с большой специфичностью предъявляемых к ним требований. Количественные и качественные показатели высокочастотной катушки определяются ее индуктивностью, добротностью, собственной емкостью и температурным коэффициентом индуктивности. Индуктивность катушки зависит в основном от ее размеров, формы и числа витков: чем больше размеры катушки H чем больше содержит она витков, тем больше ее индуктивность. Кроме того, на индуктивность катушки сильно влияют введение в нее сердечника и помещение ее в экран. В радиотехнической аппаратуре используют высокочастотные катушки с индуктивностью от долей микрогенри до десятков миллигенри. Так же как и в конденсаторах, рассеивание энергии в катушке можно выразить тангенсом угла потерь (tg δ) . Однако качество работы катушки в цепях переменного тока принято выражать не тангенсом угла потерь, а его обратной величиной, называемой добротностью (QL). 53) Трансформаторы представляют собой электротехнические приборы, преобразующие переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения (одной и той же частоты). Принцип действия трансформаторов основан на законе электромагнитной индукции. Трансформаторы подразделяются по назначению на силовые, согласующие и импульсные; по типу применяемого магнитопровода — на броневые, стержневые и тороидальные. Кроме того, по количеству обмоток различают однообмоточные и многообмоточные трансформаторы (рисунок 1) Условные обозначения трансформаторов на схемах: а — автотрансформатор; б — без сердечника, высокочастотный (точка показыва- ; ет начало обмотки); в — то же, с отводами; г— высокочастотный без сердечника с регулируемой связью между обмотками; д — двухобмоточный с ферромагнитным сердечником; е — трехобмоточный с отводом в обмотке II; ж — с ферромагнитным сердечником и электростатическим экраном между обмотками, соединенными с корпусом 54) Принцип действия трансформатора. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемойвторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель). При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i1, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е1 и е2. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е2 по ее цепи проходит ток i2. 55)Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, т.е. способность проводить электрический ток под воздействием постоянного (не изменяющегося во времени) электрического напряжения. Если полупроводник находится в электрическом поле с напряженностью Е, то имеющиеся в нем свободные носители заряда приобретают под действием этого поля направленное движение. Такое упорядоченное движение электрических зарядов и есть электрический ток. В собственном полупроводнике носителями заряда являются свободные электроны и дырки, концентрации которых одинаковы. При наличии внешнего электрического поля плотность электронной составляющей тока, который протекает через собственный полупроводник, т.е. число электрических зарядов переносимых за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению электрического поля, Этот механизм увеличения концентрации свободных носителей под действием сильного электрического поля называют электростатической ионизацией, которая возможна в электрических полях с напряженностью примерно 108 В/м. Если свободный электрон под действием внешнего электрического поля приобретает энергию, достаточную для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, то возможна ударная ионизация. Ионизирующий электрон при этом остается в зоне проводимости