Химическая связь в атоме водорода

Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. В простейшей планетарной модели атома этот электрон вращается по орбите вокруг ядра атома (рисунок 1.1, а). В квантовой механике движение электрона описывается волновой функцией, обладающей в изолированном атоме водорода сферической симметрией, так что заряд электрона диффузно распределен, образуя размытое облако (рисунок 1.1).

Различают несколько видов химической связи.

1.2.2. Гомеополярная (ковалентная) связь атомов.

При этой связи у веществ объединение атомов в молекулу достигается за счет электронов, которыестановятся общими для пар атомов. Плотность отрицательно заряженного электронного облака междуположительно заряженными ядрами наибольшая. Такую связь называют гомеополярной или ковалентной.Перекрытие электронных облаков, приводящее к обобществлению электронов, не сводится к простому наложению друг на друга двух электронных орбит, а сопровождается существенным перераспределением электронной плотности и изменением энергии системы. При обобществлении электронов происходит втягивание электронных облаков в пространство между ядрами. Появление состояния с повышенной плотностью электронного заряда в межъядерном пространстве приводит к возникновению сил притяжения. В основе гомеополярной связи лежит обменное взаимодействие или обменный эффект, обусловленный обменом атомов электронами и имеющий чисто квантовую природу. Силы такого взаимодействия называют обменными силами, а их энергия − обменной энергией. Важнейшая особенность обменных сил – зависимость от направления спинов электронов, осуществляющих связь между взаимодействующими атомами. Связь является сильной только, если спины антипараллельны. Гомеополярные связи определенным образом ориентированы в пространстве и образуются только между ближайшими соседними атомами. Молекулы с гомеополярной связью бывают неполярными или полярными (дипольными) в соответствии с симметричным или асимметричным строением. Молекулы, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, называют неполярными. Если же в молекулах центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, то такие молекулы называют полярными или дипольными. Примеры неполярной и полярной молекул показаны на рисунке 1.4. Гомеополярная связь типична для органических молекул. Вместе с тем она может наблюдаться и у твердых веществ неорганического происхождения, если кристаллические решетки состоят из атомов. Примерами подобных веществ являются алмаз, кремний, германий, карбид кремния и др. Ковалентная связь характеризуется высокой прочностью. Подтверждением этому является высокая твердость и высокая температура плавления таких веществ как алмаз, карбид кремния.

1.2.3. Гетерополярная (ионная) связь

Этот тип связи возникает вследствие перехода валентных электронов от металлического атома к металлоидному металлу и электростатического притяжения разноименно заряженных ионов друг к другу. Этот вид химической связи реализуется в ионных кристаллах. Типичным примером ионных кристаллов являются галоидные соли щелочных металлов. На рисунке 1.5 показаны структуры кристаллов − хлористого натрия и хлористого цезия. Ионные решетки характеризуются высоким координационным числом, показывающим количество ближайших ионов противоположного знака. Например, для кристаллов ΝаС1 координационное число равно 6, а для кристаллов СsС1 − 8. В ионном кристалле комбинации противоположно заряженных ионов нельзя отождествлять с индивидуальными молекулами вследствие регулярного чередования в узлах решетки ионов. Правильнее считать весь монокристалл ионного соединения одной гигантской молекулой, в которой каждый ион испытывает сильное воздействие со стороны всех соседних частиц.

1.2.4. Металлическая связь

Металлическая связь существует в системах, построенных из положительных атомных остовов, находящихся в среде свободных коллективизированных электронов (рисунок 1.6, а). Притяжение между положительными атомными остовами и электронами обусловливает целостность металла. Металлическую связь можно рассматривать до некоторой степени как ковалентную связь, поскольку в основе лежит обобществление внешних валентных электронов. Однако специфика металлической связи состоит в том, что в обобществлении электронов участвуют все атомы кристалла, и обобществленные электроны не локализуются вблизи своих атомов, а свободно перемещаются внутри всей решетки, образуя «электронный газ». Не имея локализованных связей, металлические кристаллы (в отличие от ионных) не разрушаются при изменении положений атомов, т. е. им свойственна пластичность (ковкость) при деформациях. Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокими электро- и теплопроводностью.

1.2.5. Молекулярная связь

Молекулярная связь или связь Ван-дер-Ваальса, наблюдается у ряда веществ между молекулами с ковалентным характером внутримолекулярного взаимодействия. Наличие межмолекулярного притяжения в этом случае возможно при согласованном движении валентных электронов в соседних молекулах (рисунок 1.6, б). В любой момент времени электроны должны быть максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам (ядрам). Тогда силы притяжения валентных электронов ядром соседней молекулы оказываются сильнее сил взаимного отталкивания электронов оболочек этих молекул. Подобное притяжение между флуктуирующими электрическими диполями получило название дисперсионного взаимодействия. Связь Ван-дер-Ваальса является наиболее универсальной, она возникает между любыми частицами, но это слабая связь, энергия ее примерно на два порядка ниже энергии ионной и ковалентной связей. Поскольку дисперсионное взаимодействие слабое, то молекулярные связи проявляются лишь в случаях, если они возникают между атомами или молекулами. Молекулярная связь легко разрушается тепловым движением. Поэтому молекулярные кристаллы обладают низкими температурами плавления.

3. 1.3.1. Кристаллы

Периодичность структуры является характерным свойством кристаллов. В периодической решетке выделяют элементарную ячейку, транслируя которую в пространстве получают представление о структуре всего кристалла. Образование каким-либо элементом или соединением определенной пространственной решетки зависит от размеров атомов и электронной конфигурации их внешних оболочек. Геометрически возможны 14 видов разных пространственных решеток, являющихся основой шести кристаллических систем, приведенных на рисунке 1.7 и в таблице 1.1. Геометрическая классификация кристаллов недостаточна для разделения структур, поскольку они могут различаться по двойному лучепреломлению, по пьезо- и пироэлектрическим свойствам и т. п. Это обусловлено различными видами симметрии, которые насчитывают 32 класса, а всего существует 230 возможных пространственных групп. Кристаллические тела могут быть в виде отдельных крупных кристаллов − монокристаллов или состоять из совокупности большого числа мелких кристалликов (зерен). В случае поликристалла в пределах зерна атомы расположены периодически, но при переходе от одного зерна к другому на границе нарушается регулярное расположение частиц. Монокристаллы характеризуются анизотропией свойств. В поликристаллических телах анизотропия в большинстве случаев не наблюдается, однако с помощью специальной обработки могут быть получены текстурованные материалы с ориентированным расположением кристаллов. Промежуточным является блочное строение твердого тела. Так как монокристаллы анизотропны, то при определении свойств необходимо указать расположение кристаллографических плоскостей и направления в кристаллах. Для этого используют индексы Миллера.

1.3.2. Индексы Миллера

Допустим необходимо фиксировать в кристалле плоскость, которая пересекает три оси X, У, Ζ в точках А, В, С. Обозначим расстояния ОА, ОВ и ОС (измеренные в единицах периода решетки) через Н, К и L, а обратные им величины − через Н′, К′ и L′. Наименьшие целые числа с теми же отношениями, что и между Н′, К′ и L′, обозначают символами h, k, l и называют индексами Миллера. Поскольку период решетки принят за единицу, все атомные плоскости представляют целыми числами или нулями. Пусть, например, значения Н, К и L равны соответственно 1, 4 и 2, тогда числа Н', К', L' – 1, 1/4 и 1/2, и индексы Миллера данной плоскости будут (412).

Для обозначения направлений в кристалле применяют индексы в виде наименьших целых чисел. В отличие от обозначения плоскостей их пишут в квадратных скобках. В кубических кристаллах эти направления перпендикулярны плоскости с теми же индексами. Положительное направление оси X обозначают [100], положительное направление оси У − [010], положительное направление оси Ζ − [001], диагональ куба − [111] и т.д. Обозначения кристаллографических плоскостей и направлений приведены на рисунке 1.8.

1.3.4. Полиморфизм

Некоторые твердые вещества обладают способностью образовывать не одну, а две и более кристаллические структуры, устойчивые при разных температурах и давлениях. Такое свойство материалов называют полиморфизмом, а кристаллические структуры называют полиморфными формами или аллотропными модификациями вещества. Модификацию, устойчивую при нормальной и более низкой температуре, принято обозначать буквой α; модификации, устойчивые при более высоких температурах, обозначают соответственно буквами β, γ и т.д. Полиморфизм широко распространен среди технических материалов и имеет большое значение для их обработки и эксплуатации. Практический интерес представляет полиморфизм углерода − существование его в виде алмаза или графита. В обычных условиях графит является более устойчивой модификацией, чем алмаз. Однако при повышении давления устойчивость алмаза растет, а графита падает, и при высоких давлениях алмаз становится более устойчивым. Если при этом повысить температуру, чтобы увеличить подвижность атомов, то графит можно перевести в алмаз. На этом принципе основано получение искусственных алмазов, имеющих более высокую прочность и твердость, нежели природные кристаллы.

1.3.5. Стекла и другие аморфные тела

Не все твердые тела имеют кристаллическую структуру, хотя кристаллическое состояние большинства твердых тел является естественным, потому что энергия при упорядоченном расположении атомов меньше, чем в случае их нерегулярного расположения, а любая система стремится перейти в состояние с минимальной свободной энергией. Однако атомы не всегда имеют возможность располагаться упорядоченно в процессе затвердевания. Препятствием этому может быть резкое уменьшение скорости диффузии атомов при охлаждении среды. Твердые тела, которые имеют случайное хаотичное расположение частиц, называют аморфными. В отличие от кристаллов аморфные тела изотропны по свойствам, не имеют определенной температуры плавления и характеризуются достаточно широким температурным интервалом размягчения. Наглядным примером аморфных веществ могут служить стекла и многие пластики. В стеклах при отсутствии периодичности в строении наблюдается ближний порядок, т. е. закономерное расположение ближайших соседей относительно каждого атома. Стеклообразное состояние можно рассматривать как состояние сильно переохлажденной жидкости, т. е. жидкости с высокой вязкостью. Именно высокая вязкость ограничивает диффузионную активность атомов и препятствует образованию кристаллической фазы. Это состояние термодинамически неустойчиво. Поэтому при отжиге может происходить расстекловывание материала, т. е. переход в более устойчивое кристаллическое состояние.

4. Точечные дефекты играют важную роль, особенно вакансии. Они ответственны за процесс диффузии – основной механической диффузии – движение вакансии. Точечные дефекты оказывают влияние на электро и теплопроводность, кроме того, точечные дефекты взаимодействуют с линейными дефектами, оказывают заметное влияние на механические свойства. 2) линейные дефекты – (дислокации) в одном направлении протяженные, а в других соизмеримы с размерами атомов. Линейные дефекты – цепочки примесных атомов, цепочки внедренных атомов, цепочки вакансий и дислокаций. Поведение дислокаций определяет механические свойства. Дислокации могут быть краевые и винтовые. Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа. Так же есть и винтовая дислокация; искажение происходит по винтовой плоскости. Важной характеристикой дислокации является плотность дислокации; представляющая собой суммарную длину дислокации в единице объема () В наиболее совершенных кристаллах плотность дислокации равна = 106…108 см-2. В деформированных = 106...108см-2

Кристаллов с идеально правильным строением в природе не существует. В реальных условиях наблюдаются те или иные отклонения от регулярного расположения частиц. Такие отклонения принято называть дефектами структуры. Их подразделяют на динамические (временные) и статические (постоянные) дефекты. Динамические дефекты возникают при механических, тепловых или электромагнитных воздействиях на кристалл, при прохождении через него потока частиц высокой энергии и т. п. Наиболее распространенным видом динамических дефектов являются фонолы − временные искажения регулярности решетки, вызванные тепловым движением атомов. Среди статических дефектов различают атомные (точечные) и протяженные несовершенства структуры. Атомные дефекты могут проявляться в виде незанятых узлов решетки − вакансий, в виде смещений атома из узла в междоузлие, в виде внедрения в решетку чужеродного атома или иона. К протяженным дефектам относят дислокации, поры, трещины, границы зерен, микровключения другой фазы. Простейшими видами дислокаций являются краевая и винтовая дислокации. Некоторые разновидности дефектов показаны на рисунке 1.9.

5. Механизмы рассеяния электронов в металлах

Среди механизмов рассеяния наиболее важными являются электрон-фононное, электрон-электронное, примесное, изотопное, на торцах образцов и на дефектах.

Правило Матиссена (Matthiessen's rule).

Если имеется несколько механизмов рассеяния, каждый из которых не влияет на другие, то полная вероятность рассеяния

W = iWi.

В приближении времени релаксации:

1/т = СУМi 1/тi.

Предположим, кроме того, что время релаксации для каждого механизма не зависит от k. Тогда

р = m/(ne2) = m/(ne2) i 1/i =СУМiрi.

Это т.н. правило Матиссена: удельное сопротивление = сумме парциальных удельных сопротивлений, обусловленных каждым механизмом. Ограниченность этого правила связана с предположениями а) о независимости механизмов, б) (k) = const. Можно показать, что правило Матиссена выполняется как неравенство: из лекции

1. Электропроводность металлов.

Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных (свободных) электронов. В свободное состояние от каждого атома металла переходит от одного до двух электронов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов.

При изучении хаотического (теплового) и направленного под действием силы электрического поля движения электронов был выведен закон Ома. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводчика, вследствие чего он нагревается. Рассмотрение этого вопроса привело к выводу закона

Джоуля-Ленца.

Таким образом, электронная теория металлов дала возможность аналитически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить и связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Кроме того, некоторые опыты подтвердили гипотезу об электронном газе в металлах, а именно:

1. При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников, не наблюдается проникновения атомов одного металла в другой.

2. При нагреве металлов до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается, и наиболее быстрые из них могут вылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциального барьера.

3. В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося проводника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появлению разности потенциалов на концах заторможенного проводника, и стрелка подключаемого к ним измерительного прибора отклоняется по шкале.

4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пластинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная ЭДС и изменяется электрическое сопротивление проводника.

Однако выявились и противоречия некоторых выводов теории с опытными данными. Они состояли в расхождении температурной зависимости удельного сопротивления, наблюдаемой на опыте и вытекающей из положений теории; в несоответствии теоретически полученных значений теплоемкости металлов опытным данным

Наблюдаемая теплоемкость металлов меньше теоретической и такова, как будто электронный газ не поглощает теплоту при нагреве металлического проводника. Эти противоречия удалось преодолеть, рассматривая некоторые положения с позиций квантовой механики. В отличие от классической электронной теории в квантовой механике принимается, что электронный газ в металлах при обычных температурах находится в состоянии вырождения. В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры, т. е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов.

Поэтому на нагрев электронного газа теплота не затрачивается, что и обнаруживается при измерении теплоемкости металлов. В состояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температуре порядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей теплопроводности и высокой электропроводности.

В лекции.

7. Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Когда концы проводника находятся при разных температурах, между ними возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

ТЕРМОЭДС

- электродвижущая сила U, возникающая в электрич. цепи, состоящей из неск. разнородных проводников, контакты между к-рыми имеют разл. темп-ры (Зе-ебека эффект). Если электрич. цепь состоит из двух разл. проводников, она наз. термоэлементом или термопарой. Величина T. зависит только от темп-р горячего T1. и холодного T2 контактов и от материалов проводников. В небольшом интервале темп-р (0-100 oC) U=a(T1-T2). Коэф. а, называемый коэф. Зеебека или термоэлектрич. способностью пары, термосилой, коэф. Т., удельной Т., зависит от материала проводников и интервала темп-р (табл.).

Цифры, приведённые в табл., условны, т. к. T. чувствительна к микроскопия. кол-вам примесей, к ориентации кристаллич. зёрен. T. может возникнуть в цепи, состоящей и из одного материала, если его разные участки подвергались разл. технол. операциям. Она не меняется при последоват. включении в цепь любого кол-ва др. материалов, если появляющиеся при этом дополнит. места контактов поддерживают при одной и той же темп-ре.

Книга стр. 39

Книга стр. 42

10. Серебро — один из наиболее дефицитных матералов, достаточно широко применяемый в электротехнике и электронике для высокочастотных кабелей, защиты медных проводников от окисления, для электродов некоторых типов керамических и слюдяных конденсаторов в электрических контактах, где оно используется в сплавах с медью, никелем или кадмием, в припоях ПСр-10, ПСр-25 и др. Серебро марки Ср999-999.9 должно иметь примесей не более 0.1%. Удельное электрическое сопротивление r=0.015 мкОм.м. Механические характеристики серебра невысоки: твердость по Бринеллю — 25 (немного более золота), предел прочности при разрыве не более 200МПа, относительное удлинение при разрыве ~50%. По сравнению с золотом и платиной имеет пониженную химическую стойкость. Часто применение серебра ограничивается его способностью диффундировать в материалы подложки.

Медь — наиболее широко применяется в качестве проводникового материала: в производстве обмоточных и монтажных проводов и кабелей (мягкая отожженная медь марки ММ) в производстве волноводов и т.д.; при изготовлении контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин (медь твердая марки МТ — имеет меньшую проводимость и относительное удлинение перед разрывом, но большую механическую прочность, чем отожженная медь марки ММ).

Наиболее нежелательными примесями в меди являются висмут и свинец, сера, кислород. Наиболее чистые сорта проводниковой меди марок МООК (катодная) и МООБ (бескислородная), содержат примесей не более 0.001%. В производстве проводниковых изделий применяют марки меди с содержанием примесей не более 0.05 - 0.1%, для проводов очень малого диаметра (0.01 мм) и проводов, работающих при температурах выше 300оС применяют проволоку из бескислородной меди. Основные характеристики меди марок ММ и МТ приведены в таблице.

Бронзы — это сплавы меди с небольшим содержанием одного или нескольких химических элементов (Sn, Si, P, Be, Cr, Mg, Cd и др.), которые дают название бронзам. Маркируют бронзы буквами Бр, после которых идут буквы, указывающие легирующие элементы, и цифры, показывающие количество этих элементов в целых процентах. Например, бронза марки БрБ2 — бериллиевая бронза (содержит Ве~2%, остальное Сu), марки БрОЦС6-6-3 — оловянно-цинково-свинцовая бронза (содержит Sn 6%, Zn 6%, Pb 3%, остальное Cu).

По электропроводности уступают меди, но превосходят ее по механической прочности, упругости, сопротивлению истиранию и коррозионной стойкости. Бронзы применяют для изготовления токопроводящих пружинящих контактов и других деталей коммутирующих узлов, выключателей, электрических машин. Бронзовые детали для упрочнения подвергаются термической обработке — закалке и отпуску при повышенных температурах. У твердотянутых бронз механическая прочность и ρv выше, чем у мягких отожженных бронз

Латуни — это сплавы системы Сu—Zn с максимальным содержанием Zn 45 %. Увеличение концентрации Zn до 45% приводит к повышению механической прочности. Максимальная пластичность наблюдается при содержании Zn около 37%. Маркируют латуни буквой Л и цифрой, указывающей % содержание меди. Например, латунь марки Л63 содержит меди 63%, остальное — Zn. У сложных латуней в маркировке указывается легирующий элемент. Например, латунь марки ЛС59-1 — это свинцовая латунь, содержащая Сu 59%, Pb 1%, остальное Zn. Главная отличительная особенность латуни от чистой меди — повышенная механическая прочность при достаточно высоком удлинении перед разрывом Латуни лучше, чем бронзы, обрабатываются штамповкой, глубокой вытяжкой и т.п. Они широко используются для изготовления токопроводящих винтов, гаек, шайб, шпилек, штырей, гнезд, упругих элементов и для коммутирующих узлов и штепсельных разъемов.

Алюминий — в 3.3 раза легче меди, имеет сравнительно меньшую проводимость (для АМ r=0.028 мкОм. м) и большую стойкость к атмосферной коррозии за счет защитной пленки оксида Al2O3. Алюминий мягкий имеет прочность на разрыв 80, твердый 160 – 170 МПа. По сравнению с медью имеет больший температурный коэффициент линейного расширения (26. 10-6 1/оС), что является недостатком. В местах контакта алюминиевого провода с проводами из других металлов во влажной среде возникает гальваническая пара, поэтому незащищенная лаками или другими способами алюминиевая проволока разрушается коррозией. Из алюминия особой чистоты с содержанием примесей не более 0.005% изготовляют электроды алюминиевых конденсаторов и алюминиевую фольгу. Из алюминия, содержащего примесей не более 0.3 – 0.5% (марки А7Е и А5Е), изготовляют проволоку и шины. Для жил кабелей может использоваться алюминий с уменьшенным содержанием примесей — марки А75К, А8К, А8КУ. Алюминиевые провода можно соединять друг с другом холодной или горячей сваркой, а также пайкой с применением специальных флюсов и припоев.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей, содержащий 0.3–0.5 % Mg, 0.4–0.7 % Si и 0.2–0.3 % Fe (остальное – Al) обладающий высокими механическими свойствами при небольшом удельном сопротивлении Высокие механические свойства альдрей приобретает в результате специальной обработки по схеме: деформация волочением — закалка в воде при температуре 510–550°С — повторная деформация волочением —выдержка при температуре 140–150°С. Выделяющееся при этой обработке из твердого раствора химическое соединение Mg2Si в мелкодисперсном состоянии обеспечивает ему высокие механическую прочность и нагревостойкость. По механическим свойствам альдрей приближается к твердой меди (МТ), по плотности и удельной электропроводности — к твердому алюминию (AT).

В линиях электропередачи широко применяют сталеалюминиевый провод — стальные жилы, обвитые алюминиевой проволокой. Для сталеалюминиевого провода воздушных линий используется особо прочная стальная проволока с sр=1200 – 1500 МПа, покрытая цинком для защиты от коррозии в условиях повышенной влажности.

Сталь (железо с содержанием углерода 0.1 – 0.15%) как проводниковый материал используется в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог и пр. Удельная проводимость стали в 6 – 7 раз меньше, чем у меди, sр= 700 – 750 МПа, относительное удлинение перед разрывом 5 – 8%. На переменном токе в стали проявляется поверхностный эффект и появляются потери мощности на гистерезис. Такая сталь может использоваться для проводов воздушных линий электропередач, если передаются небольшие мощности и основную роль играет не удельное сопротивление провода, а его механическая прочность.

11. Сплавы с высоким электрическим сопротивлением:

Существует два основных вида сплавов с высоким электрическим сопротивлением: аустенитный - (никель-хром) и ферритный - (железо-хром-алюминий). Два вышеуказанных вида имеют свои специфические свойства, преимущества и недостатки поставляемые в различных формах (проволока, лента, полоса). В целом ферритные сплавы превосходят аустенитные сплавы по эксплуатацинным характеристикам и более долгим сроком службы. В свою очередь аустенитные сплавы имеют преимущество в случае необходимости использовать элементы с хорошими механическими свойствами в горячем состоянии.

Фехраль Х23Ю5 (23% - хром, 71.7% - железо, 5,3% - алюминий) - широко используется в высокотемпературных электропечах, печах обжига и сушки, различных электрических аппаратах теплового действия. Оптимален для использования в производстве трубчатых электрических нагревателей (ТЭН) и бытовых приборах.

Максимальная непрерывная температура эксплуатации: 1350 C.

Удельное сопротивление: 1,35 Ом х мм2 / м.

Плотность: 7,21 г / см3.

Фехраль Х15Ю5 (15% - хром, 79.7% - железо, 5,3% - алюминий) - применяется для мощных электронагревательных устройств, производства блоков резисторов и элементов сопротивления.

Максимальная непрерывная температура эксплуатации: 750-950 C.

Удельное сопротивление: 1,29 Ом х мм2 / м.

Плотность: 7,10 г / см3.

Нихром Х20Н80 (73-78% - никель, 19-21% - хром, 1% - кремний, 0.7% - марганец, остальное - железо, принято считать, что в марке Х20Н80 около 20% хрома и 80% никеля, но это не совсем соответствует стандартам, допускающим микролегирование прецизионных сплавов для улучшения их потребительских характеристик) - широко используется для изготовления нагревательных элементов в высокотемпературных электропечах, печах обжига и сушки, различных электрических аппаратах теплового действия. Стойкость к коррозии, высокое удельное электросопротивление и минимальный температурный коэффициент электрического сопротивления делают нихромовую ленту и проволоку незаменимыми в изготовлении высокотемпературных элементов нагревания, надежно работающих в любой, даже агрессивной среде. Еще одно замечательное свойство нихрома – его пластичность. Его можно подвергать: сварке, точению, волочению, штамповке и т.д. Благодаря пластичности, ассортимент изготавливаемой из нихрома продукции самый широкий. К недостаткам нихрома относится его относительно высокая цена, но, учитывая качества нихрома, его долговечность и надежность, она не представляется чрезмерной.

Максимальная непрерывная температура эксплуатации: до 1200 C.

Удельное сопротивление: 1,09 Ом х мм2 / м.

Плотность: 8,20-8,50 г / см3.

Нихром Х15Н60 - сплав с хорошей коррозионной стойкостью, стойкостью к окислению и хорошей формо-стойкостью. Типичное применение - трубные нагревательные элементы с подвешенными витками.

Максимальная непрерывная температура эксплуатации: до 1150 C.

Удельное сопротивление: 1,11 Ом х мм2 / м.

Плотность: 8,20 г / см3.

Размеры:

Проволока Ø 0.01 - 10.00мм

Лента(толщина х ширина) 0.10-3.00мм х 2.00-600мм

 

Основные сведения о термопарах

Алюмель - сплав, состоящий из следующих элементов: Ni (93-96%); Al (1,8-2,5%); Mn (1,8-2,2%); Si (0,8-1,2%). Удельное электрическое сопротивление 3,2·10-8 Ом·м, температурный коэффициент линейного расширения 13,7·10-6 °C-1, плотность 8480 кг/м3, температура плавления 1430-1450 °C. Из сплава изготовляют проволоку для термопар.

Константан - сплав, состоящий из следующих элементов: Ni (39-41%); Mn (1-2%); остальное Cu. Сплав имеет высокое удельное электрическое сопротивление (около 0,5 мкОм·м), минимальное значение термического коэффициента электрического сопротивления, высокую термоэлектродвижущую силу в паре с медью, железом, хромелем. Температурный коэффициент линейного расширения 14,4·10-6 °C-1. Плотность 8800-8900 кг/м3, температура плавления около 1260 °C. Хорошо поддаётся обработке. Идет на изготовление термопар, реостатов и электронагревательных элементов с рабочей температурой до 400-500 °C, измерительных приборов низкого класса точности.

Копель - сплав, состоящий из следующих элементов: Ni (43-44%); Fe (2-3%); остальное Cu. Плотность сплава 8900 кг/м3, температура плавления 1220-1290 °C, температурный коэффициент линейного расширения 14·10-6 °C-1, удельное электрическое сопротивление 0,5 мкОм·м. Обладает высокой термоэлектродвижущей силой в паре со многими металлами и применяется для изготовления электродов термопар.

Хромель - сплав, состоящий из следующих элементов: Cr (8,7-10%); Ni (89-91%); примеси Si, Cu, Mn, Co. Плотность сплава 8710 кг/м3, температура плавления 1400-1500 °C, температурный коэффициент линейного расширения 12,8·10-6 °C-1, удельное электрическое сопротивление 0,66 мкОм·м. Из сплава изготовляют проволоку для термопар.

Фехраль - сплав, состоящий из следующих элементов: Cr (12-15 %); Al (3,5-5,5 %); Si (1 %); Mn (0,7 %); остальное Fe. Твёрдый, хрупкий сплав, с трудом поддающийся обработке, обладает высоким удельным электрическим сопротивлением (1,2-1,3 мкОм·м). Плотность 1100-1300 кг/м3, температура плавления около 1450 °C. Наибольшая рабочая температура 750-950 °C. Применяется для мощных электронагревательных устройств и промышленных печей.

Термопары

Хромель НХ9,5, алюмель НМцАК 2-2-1, копель МНМц 43-0,5, константан МНМц 40-1,5 - термопарная проволока для изготовления термопар типа ТХА (хромель, алюмель), ТХК (хромель, копель), ТМК (медь, константан), ТХЖ (железо, константан), ТХК(хромель, константан).

К особенностям термопарной проволоки можно отнести её укомплектовленность в пару, необходимую для точных измерений. Проволока изготавливается в соответствии с ТУ или ГОСТ и градуируется, составленная в пару, по классам точности (1 с минимальной погрешностью относительно 2 класса, 2 класс, 3 для низких температур).

Только наличие протокола испытании, измерений термо э.д.с и отнесение пары к определенному классу точности может гарантировать последующую возможность изготовления термопары в соответствии с ТУ или ГОСТ.

12. Тугоплавкие металлы — класс химических элементов (металлов), имеющих очень высокую температуру плавления и стойкость к изнашиванию. Выражение тугоплавкие металлы чаще всего используется в таких дисциплинах как материаловедение, металлургия и в технических науках. Определение тугоплавких металлов относится к каждому элементу группы по разному. Основными представителями данного класса элементов являются элементы пятого периода — ниобий и молибден; третьего периода — тантал, вольфрам и рений. Все они имеют температуру плавления выше 2000 °C, химически относительно инертны и обладают повышенным показателем плотности. Благодаря порошковой металлургии из них можно получать детали для разных областей промышленности.

Большинство определений термина тугоплавкие металлы определяют их как металлы имеющие высокие температуры плавления. По этому определению, необходимо, что бы металлы имели температуру плавления выше 2 200 °C. Это необходимо для их определения как тугоплавких металлов[2]. Пять элементов — ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений входят в этот список как основные[3], в то время как более широкое определение этих металлов позволяет включить в этот список еще и элементы имеющие температуру плавления 2123K (1850 °C) — титан, ванадий, хром, цирконий, гафний, рутений и осмий. Трансурановые элементы (все изотопы которых нестабильны и на земле их найти очень трудно) никогда не будут относится к тугоплавким металлам[4]. Тугоплавкие металлы и их сплавы привлекают внимание исследователей из-за их необычных свойств и будущих перспектив в применении.

Физические свойства тугоплавких металлов, таких как молибден, тантал и вольфрам, их показатели твёрдости и стабильность при высоких температурах делает их используемым материалом для горячей металлообработки материалов как в вакууме, так и без него. Многие детали основаны на их уникальных свойствах: например, вольфрамовые нити накаливания способны выдерживать температуры вплоть до 3073K.

Однако, их сопротивляемость к окислению вплоть до 500 °C делает это одним из главных недостатков этой группы. Контакт с воздухом может существенно повлиять на их высокотемпературные характеристики. Именно поэтому их используют в материалах, в которых они изолированы от кислорода (например лампочка).

Сплавы тугоплавких металлов — молибдена, тантала и вольфрама — применяются в деталях космических ядерных технологий. Эти компоненты были специально созданы в качестве материала способного выдержать высокие температуры (от 1350K до 1900K). Как было указано выше, они не должны контактировать с кислородом.

Сплавы рения Рений является самым последним открытым тугоплавким элементом из всей группы. Он находится в низких концентрациях в рудах других металлов данной группы — платины или меди. Может применяться в качестве легирующего компонента с другими металлами и придает сплавам хорошие характеристики — ковкость и увеличивает предел прочности. Сплавы с рением могут применяться в компонентах электронных приборов, гироскопах и ядерных реакторах. Самое главное применение находит в качестве катализатора. Может применяться при алкилировании, деалкилировании, гидрогенизации и окислении. Его столь редкое присутствие в природе делает его самым дорогим из всех тугоплавких металлов

Тантал. Тантал является самым стойким к коррозии металлом из всех тугоплавких металлов.

Важное свойство тантала было выявлено благодаря его применению в медицине — он способен выдерживать кислую среду (организма). Иногда он используется в электролитических конденсаторах. Применяется в конденсаторах сотовых телефонов и компьютера.

Сплавы ниобия. Ниобий почти всегда находится вместе с танталом; ниобий был назван в честь Ниобы, дочери Тантала в греческой мифологии. Ниобий находит множество путей для применения, некоторые он разделяет с тугоплавкими металлами. Его уникальность заключается в том, что он может быть разработан путем отжига для того, чтобы достичь широкого спектра показателей твёрдости и упругости; его показатель плотности самый малый по сравнению с остальными металлами данной группы. Он может применяться в электролитических конденсаторах и является самым частым металлом в суперпроводниковых сплавах. Ниобий может применяться в газовых турбинах воздушного судна, в электронных лампах и ядерных реакторах.

Сплав ниобия C103, который состоит из 89 % ниобия, 10 % гафния и 1 % титана, находит свое применение при создании сопел в жидкостных ракетных двигателях, например таких как Apollo CSM (англ.)[24]. Применявшийся сплав не позволяет ниобию окисляться, так как реакция происходит при температуре от 400 °C[24].

Сплавы молибдена. Широкое применение находят сплавы молибдена. Наиболее часто используемый сплав — титан-цирконий-молибден — содержит в себе 0,5 % титана, 0,08 % циркония и остальное молибден. Сплав обладает повышенной прочностью при высоких температурах. Рабочая температура для сплава — 1060 °C. Высокое сопротивление сплава вольфрам-молибден (Mo 70 %, W 30 %) делает его идеальным материалом для отливки деталей из цинка, например, клапанов[17].

Молибден используется в ртутных герконовых реле, так как ртуть не формирует амальгамы с молибденом[18][19].

Молибден является самым часто используемым тугоплавким металлом. Наиболее важным является его использование в качестве усилителя сплавов стали. Применяется при изготовлении трубопроводов вместе с нержавеющей сталью. Высокая температура плавления молибдена, его сопротивляемость к износу и низкий коэффициент трения делают его очень полезным материалом для легирования. Его прекрасные показатели трения приводят его к использованию в качестве смазки где требуется надежность и производительность. Применяется при производстве ШРУСов в автомобилестроении. Большие месторождения молибдена находятся в Китае, США, Чили и Канаде.

Вольфрам и его сплавы. Вольфрам был найден в 1781 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов — 3422 °C.

Вольфрам.

Рений используется в сплавах с вольфрамом в концентрации до 22 %, что позволяет повысить тугоплавкость и устойчивость к коррозии. Торий применяется в качестве легирующего компонента вольфрама. Благодаря этому повышается износостойкость материалов. В порошковой металлургии компоненты могут быть использованы для спекания и последующего применения. Для получения тяжёлых сплавов вольфрама применяются никель и железо или никель и медь. Содержания вольфрама в данных сплавах как правильно не превышает 90 %. Смешивание легирующего материала с ним низкое даже при спекании[9].

Вольфрам и его сплавы по-прежнему используются там, где присутствуют высокие температуры, но нужна однако высокая твёрдость и где высокой плотностью можно пренебречь[10]. Нити накаливания, состоящие из вольфрама, находят свое применение в быту и в приборостроении. Лампы более эффективно преобразовывают электроэнергию в свет с повышением температуры[9]. В вольфрамовой газодуговой сварке (англ.) оборудование используется постоянно, без плавления электрода. Высокая температура плавления вольфрама позволяет ему быть использованным при сварке без затрат[11][12]. Высокая плотность и твёрдость позволяют вольфраму быть использованным в артиллерийских снарядах[13]. Его высокая температура плавления применяется при строении ракетных сопел, примером может служить ракета «Поларис»[14]. Иногда он находит свое применение благодаря своей плотности. Например, он находит свое применение в производстве клюшек для гольфа[15][16]. В таких деталях применение не ограничивается вольфрамом, так как более дорогой осмий тоже может быть использован.

13. Припой — металл или сплав, применяемый при пайке для соединения заготовок и имеющий температуру плавления ниже, чем соединяемые металлы. Применяют сплавы на основе олова, свинца, кадмия, меди, никеля и др.

Пайку осуществляют или с целью создания механически прочного (иногда герметичного) шва, или для получения электрического контакта с малым переходным сопротивлением. При пайке места соединения и припой нагревают. Так как припой имеет температуру плавления значительно ниже, чем соединяемый металл (или металлы), то он плавится, в то время как основной металл остаётся твёрдым. На границе соприкосновения расплавленного припоя и твёрдого металла происходят различные физико-химические процессы. Припой смачивает металл, растекается по нему и заполняет зазоры между соединяемыми деталями. При этом компоненты припоя диффундируют в основной металл, основной металл растворяется в припое, в результате чего образуется промежуточная прослойка, которая после застывания соединяет детали в одно целое.

Выбирают припой с учётом физико-химических свойств соединяемых металлов, требуемой механической прочности спая, его коррозионной устойчивости и стоимости. При пайке токоведущих частей необходимо учитывать удельную проводимость припоя.

Классификация припоев

Припои принято делить на две группы — мягкие и твёрдые. К мягким относятся припои с температурой плавления до 300 °C, к твёрдым — выше 300 °C. Кроме того, припои существенно различаются по механической прочности. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении 16—100 МПа, а твёрдые — 100—500МПа.

Мягкими припоями являются оловянно-свинцовые сплавы (ПОС) с содержанием олова от 10 (ПОС-10) до 90% (ПОС-90), остальное свинец. Проводимость этих припоев составляет 9—15% чистой меди. Большое количество оловянно-свинцовых припоев содержит небольшой процент сурьмы (такие припои обозначаются ПОССу).

Наиболее распространёнными твёрдыми припоями является медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр) с различными добавками.

Появление гибридной технологии для создания электронных плат обусловило появление нового типа припоев: так называемых паяльных паст, пригодных как для обычной, так и трафаретной пайки элементов гибридных схем. Паяльные пасты представляют собою сложную дисперсию, в которой дисперсной фазой являются микро- и наноразмерные частицы припоя и, возможно, твёрдых компонентов флюса, а дисперсной средой являются жидкие компоненты флюса и летучие растворители.

В связи с повышением внимания общества к вопросам экологии теперь при выборе припоев более серьёзно учитывают токсичность его компонентов. В электротехнике и электронике (особенно в бытовой) всё чаще используют бессвинцовые припои.

Книга стр. 22

15. Книга стр. 31 Фу́нкция вероя́тности в теории вероятностей — наиболее часто используемый способ охарактеризовать дискретное распределение.

16. Собственный полупроводник или полупроводник i-типа или нелегированный полупроводник (англ. intrinsic — собственный) — это чистый полупроводник, содержание посторонних примесей в котором не превышает 10−8 … 10−9%. Концентрация дырок в нём всегда равна концентрации свободных электронов, так как она определяется не легированием, а собственными свойствами материала, а именно термически возбуждёнными носителями, излучением и собственными дефектами. Технология позволяет получать материалы с высокой степенью очистки, среди которых можно выделить непрямозонные полупроводники: Si (при комнатной температуре количество носителей ni=pi=1,4·1010 см-3), Ge (при комнатной температуре количество носителей ni=pi=2,5·1013 см-3) и прямозонный GaAs.

Полупроводник без примесей обладает собственной электропроводностью, которая имеет два вклада: электронный и дырочный. Если к полупроводнику не приложено напряжение, то электроны и дырки совершают тепловое движение и суммарный ток равен нулю. При приложении напряжения в полупроводнике возникает электрическое поле, которое приводит к возникновению тока, называемого дрейфовым током iдр. Полный дрейфовый ток является суммой двух вкладов из электронного и дырочного токов:

iдр= in+ ip, где индекс n соответствует электронному вкладу, а p - дырочному. Удельное сопротивление полупроводника зависит от концентрации носителей и от их подвижности, как следует из простейшей модели Друде. В полупроводниках при повышении температуры вследствие генерации электрон-дырочных пар концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне увеличивается значительно быстрее, нежели уменьшается их подвижность, поэтому с повышением температуры проводимость растет. Процесс гибели электрон-дырочных пар называется рекомбинацией. Фактически проводимость собственного полупроводника сопровождается процессами рекомбинации и генерации и если скорости их равны, то говорят что полупроводник находится в равновесном состоянии. Количество термически возбуждённых носителей зависит от ширины запрещённой зоны, поэтому количество носителей тока в собственных полупроводниках мало по сравнению с легированными полупроводниками и сопротивление их значительно выше.

 

Если эффективные массы электронов и дырок равны уровень Ферми собственного полупроводника при любой температуре располагается посередине запрещенной зоны.

Температурная зависимость положения уровня Ферми в собственном полупроводнике определяется третьим слагаемым в уравнении (3.23). Если эффективная масса дырки в валентной зоне больше эффективной массы электрона в зоне проводимости, то уровень Ферми смещается с повышением температуры ближе к дну зоны проводимости. В противоположном случае уровень Ферми смещается к потолку валентной зоны. Положение уровня Ферми в собственном полупроводнике с изменением температуры схематически показано на рис. 3.5.

Для большинства полупроводников эффективная масса дырки не намного превышает эффективную массу электрона и смещение уровня Ферми с изменением температуры незначительно. Однако у антимонида индия (InSb), а ширина запрещенной зоны невелика (Eg = 0,17 эВ), так что при Т > 450 K уровень Ферми входит в зону проводимости. При этой температуре полупроводник переходит в вырожденное состояние.

17. Примесные полупроводники

Примесный полупроводник - это полупроводник, элек­т­ро­­­фи­зи­­чес­кие свойства которого определяются, в основном, при­ме­ся­­ми дру­гих химических элементов. Процесс вве­дения примесей в по­­лу­­про­водник называется леги­ро­ва­нием полупроводника, а са­ми при­­­­меси называют леги­ру­ю­щи­ми. Для равномерного распре­де­­ле­­ния легирующей примеси в объ­еме полупроводника ле­ги­ро­ва­­ние осу­­щест­в­ля­ет­ся в процессе вы­ращивания монокристалла по­лу­­про­вод­ника из жидкой или га­зо­образной фазы. Локальное ле­ги­­ро­ва­ние части объема полу­про­водника­, например, при­по­ве­р­х­ностной об­­ла­сти, производится методом диффузии при силь­ном нагреве полупроводника или низкотемпературными методами ион­ного ле­ги­ро­вания.

Роль примесей могут играть и всевозможные дефекты стру­к­ту­ры кри­­сталлической решетки полупроводника, такие как вакан­сии, ме­ж­ду­узельные атомы, дислокации.

При малой концентрации примесей (1021...1023 м-3) примесные атомы со­­з­­дают дополнительные дискретные энергетические уровни в за­­п­ре­щенной зоне полупроводника. Такой полупроводник на­зы­ва­ется не­вы­рожденным. Повышение концентрации примесных ато­­мов в полупроводнике до 1024...1025 м-3 сопровождается поя­в­ле­нием в за­пре­щенной зоне по­лу­про­водника вместо дискретных уров­ней зон при­­мес­ных уров­ней. Такие полупроводники на­зы­ва­ют вы­рож­ден­ными.

Различают два основных вида примесей, которые ис­поль­зую­т­­ся для преднамеренного легирования полупроводников и соз­да­ю­­щих преимущественно электронный или дырочный тип про­во­ди­­мо­сти. Примеси, введение которых в полупроводник соз­да­­ет эле­к­т­ронный тип проводимости, называются донорными. При­­месь, соз­да­ющая дырочную про­води­мость, называется акцеп­тор­ной.

Лекции….

19.+тетрадь Температурная зависимость подвижности носителей заряда в полупроводниках.

В слабых электрополях подвижность носителей заряда определяется соотношением. Отсюда следует, что температурная зависимость подвижности определяется температурной зависимостью времени рассеяния - среднего времени свободного пробега носителей заряда. Центрами рассеяния являются любые дефекты, нарушающие периодическую структуру кристалла (колебания кристаллической решетки, атомы примеси, собственные дефекты, дислокации и т.д.). Каждый тип дефектов по своему рассеивает носители заряда. В кристалле могут одновременно находиться несколько типов дефектов. Время, определяемое из экспериментального значения подвижности связано с рассеянием на всех типах дефектов, имеющихся в данном кристалле. При определенных условиях зависимость от температуры, концентрации примесей и т.д. доминирующим механизмом рассеяния может быть механизм связанный с первым типом дефектов. Рассмотрим некоторые из механизмов рассеяния носителей заряда.

Рост подвижности с температурой связан с тем, что с увеличением температуры увеличивается скорость носителей заряда. (3) Очевидно, электрическое поле ионов слабее отклоняет электроны, движущиеся с большей скоростью (большей энергией). Рассеивание на ионах примеси является преобладающим механизмом при низких температурах, когда колебание решетки не значительны. При этом необходимо учитывать, что рассеяние на ионах примеси будет более эффективным при прочих условиях. У компенсированных полупроводников, так как у них два типа заряженных центра.

Подвижность носителей заряда — коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью носителей и приложенным внешним электрическим полем. Определяет способность электронов и дырок в металлах и полупроводниках реагировать на внешнее воздействие.

Размерность подвижности м2/(В·с) или см2/(В·с). Фактически подвижность численно равна скорости носителей заряда при напряженности электрического поля в 1 В/м.

Лекции..

21. Люминесценция — излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период световых волн. Первая часть этого определения предложена Э. Видоманом и отделяет люминесценцию от равновесного теплового излучения. Вторая часть — признак длительности — введена С. И. Вавиловым для того, чтобы отделить люминесценцию от других явлений вторичного свечения — отражения и рассеяния света, а также от вынужденного испускания, тормозного излучения заряженных частиц.

Люминесценция возникает при преобразовании в свет энергии, поглощённой атомами, молекулами или ионами некоторых веществ. Далеко не все вещества способны давать люминесценцию. Частицы люминесцентного вещества, поглотив энергию, приходят в особое возбужденное состояние, которое длится некоторое, обычно очень незначительное, время, возвращаясь в исходное, нормальное состояние, возбуждённые частицы отдают избыток энергии в виде света – люминесценции. Необходимую для возбуждения свечения энергию можно сообщить частицам люминесцентного вещества разными путями: можно направить на него поток световых лучей, можно достигнуть возбуждения частиц ударами электронов и т. Д.

Условия, в которых возбуждаются и светят частицы люминесцентного вещества, совершенно отличны от условий, в которых находятся частицы раскалённого тела. В то время как при нагревании тела увеличивается энергия всех его частиц, при возбуждении люминесценции энергию получают лишь отдельные частицы, остающиеся в окружении огромного числа невозбуждённых частиц.

Наиболее простым способом возбуждения люминесценции является освещение люминесцентного вещества ультрафиолетовыми лучами или коротковолновыми лучами видимого света; при этом в каждый данный момент свет поглощают лишь некоторые частицы люминесцентного вещества, которое и приходят в возбуждённое состояние. Кроме того, как указал академик С.И.Вавилов, важным признаком люминесценции является её заметная длительность по сравнению со световыми колебаниями, имеющими период 10-10 сек. Свечение люминесценции продолжается, по крайней мере, десятимиллиардную долю секунды после прекращения возбуждения, т.е. энергия, поглощённая частицами вещества, не излучается мгновенно. Этим люминесценция отличается от других видов свечения, например от излучения поверхностей, отражающих и рассеивающих свет какого-нибудь постороннего источника.

Применения люминесценции.

Исследование спектров люминесценции и спектров возбуждения люминесценции является составной частью спектроскопии и даёт информацию об энергетическом спектре веществ. Наряду с обычными задачами спектроскопии при исследовании люминесценции важным является измерение выхода люминесценции.

По поляризации люминесценции можно определить ориентацию и мультипольность испускающих и поглощающих атомных и молекулярных систем можно получить информацию о процессах передачи энергии между ними

Люминесцентные методы относятся к наиболее важным в физике твёрдого тела. При изучении кристаллофосфоров параллельно сравнивают их люминесценция и проводимость. Биолюминесценция позволяет получать информацию о процессах, происходящих в клетках на молекулярном уровне.

Люминесцирующие вещества являются активной средой лазеров. Яркость люминесценции и её высокий энергетический выход для ряда веществ позволили создать нетепловые источники света (газоразрядные и люминесцентные лампы) с высоким кпд. Яркая люминесценция ряда веществ обусловила развитие метода обнаружения малых количеств примесей и сортировки по их люминесценции и изучение смесей.

Катодолюминесценция лежит в основе свечения экранов осциллографов, телевизоров, локаторов и т. д. Многие полупроводниковые светодиоды основаны на явлении электролюминесценции; в рентгеноскопии используется рентгенолюминесценция. В сцинтилляционных детекторах использована радиолюминесценция. Люминесценция применяется в дефектоскопии, криминалистике, люминесцентными красками окрашивают ткани, дорожные знаки, отбеливают бумагу и т. д.

 

Ж.И.Алферовым предложены инжекционные лазеры на основе гетеропереходов (гетеролазеры), имеющие высокий КПД. В этих лазерах для создания переходов используются полупроводниковые материалы с различной шириной запрещенной зоны. Отличительной особенностью гетеролазеров является возможность изготовления лазеров с различной длиной волны излучения изменением концентрации примесного алюминия. Например, изменение последней в пределах от 0 до 30% вызывает изменение длины волны от 0,9 до 0,68 мкм. Другими особенностями гетеролазеров являются высокий КПД, удобство возбуждения, малые габариты.

Крупным достижением лазерной техники последних лет явилось создание гетеролазера с распределенной обратной связью. В таком полупроводниковом лазере торцевые зеркальные поверхности, образующие оптический резонатор, заменены дифракционной решеткой, которая, как известно, на определенных частотах полностью отражает падающее на нее излучение.

Недостатки полупроводниковых лазеров - невысокая степень когерентности излучения, плохая температурная и радиационная устойчивость и пока еще низкая долговечность. Так, в лабораторных условиях получена долговечность 104 ч, однако в промышленных образцах она на один-два порядка ниже.

Одной из областей применения полупроводниковых лазеров является система оптической связи и обработки информации. Для применения в волоконно-оптических линиях связи разрабатываются полупроводниковые лазеры специальной конструкции для эффективного согласования лазера с волоконной линией. В открытых линиях связи используются обычные полупроводниковые лазеры на гетеропереходах в тройных (GaAlAs) и четверных (GaInAsP) системах. Лазеры работают при комнатной температуре в интервале длин волн от 0,65 до 1,6 мкм.

Необходимо отметить, использование лазеров в научных исследованиях. Лазеры применяют в медицине. Применение лазеров в логических элементах позволило создать быстродействующие ЭВМ.

22. Законы поглощения. При облучении кристалла полупроводника потоком световой энергии часть этой энергии поглощается телом, а часть отражается. Отражение потока световой энергии поверхностью полупроводника характеризуется коэффициентом отражения: (1) Поглощение света телом полупроводника сопровождается уменьшением потока световой энергии в соответствии с известным из физики законом(2) Поглощение света полупроводниками может в зависимости от природы твердого тела сопровождаться изменением энергетических состояний свободных или валентных электронов, электронов атомов примесей или же самой кристаллической решетки. Иначе говоря, центры поглощения в твердо” теле по своей природе весьма разнообразны. В зависимости от преобладания тех или иных центров поглощения различные вещества по-разному поглощают электромагнитные колебания разных длин волн. Зависимость) коэффициента поглощения от длины волны падающего излучения называют спектром поглощения.

Собственное поглощение. Один из основных видов оптического поглощения — собственное или фундаментальное поглощение — связан с переходом электрона из валентной зоны в. зону проводимости. Такой переход возможен в том случае, если энергия •поглощаемого фотона превышает или по крайней мере равна ширине запрещенной зоны.

Экситонное поглощение. При поглощении фотона возможно и такое возбуждение валентного электрона, при котором он не совершает межзонный переход, а образует с дыркой связанную электронно-дырочную пару, которая получила наименование экситона. В экситоне электрон и дырка связаны кулоновским взаимодействием с учетом диэлектрической постоянной относительной диэлектрической проницаемости кристалла. Экситон принято рассматривать как некоторую частицу с собственной эффективной массой М* =.Mn+Mp.

Примесное поглощение. Этот вид поглощения света связан с ионизацией или возбуждением примесных атомов. Поглощение фотонов вызывает переходы электронов донорных атомов в зону проводимости или же переход валентных электронов полупроводника на акцепторные уровни. Могут наблюдаться также переходы электронов примесных центров на энергетические уровни возбуждения этих атомов. В результате примесного поглощения, как и в случае термической ионизации атомов примесей, генерируются подвижные носители лишь одного знака: электроны в зоне проводимости при ионизации донорных атомов и дырки в валентной зоне при ионизации акцепторных атомов. Сами атомы примесей в процессе фотоионизации превращаются в ионы с единичным электрическим зарядом.

Другие виды поглощения.

Помимо собственного и примесного в полупроводниках наблюдается также поглощение фотонов свободными носителями зарядов самой кристаллической решеткой. В первом случае свободные носители зарядов — электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, поглощая фотоны, переходят на более высокие свободные энергетические уровни. Эти переходы непрямые и сопровождаются вследствие этого поглощением фонона.

23. Метод Чохральского — метод выращивания кристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава.

Может использоваться для выращивания кристаллов элементов и химических соединений, устойчивых при температурах плавления-кристаллизации. Метод наиболее известен применительно к выращиванию монокристаллического кремния.

За время промышленного использования (с 1950-х годов) были разработаны различные модификации метода Чохральского. Так, для выращивания профилированных кристаллов используется модификация метода Чохральского, называемая методом Степанова. Модификация наиболее известна применительно к выращиванию сапфира и кремния.

 

Этапы метода

1. Приготавливается навеска шихты и помещается в контейнер (тигель). В случае больших навесок (десятки и сотни килограмм) навеску стараются формировать из небольших кусочков (от 10 до 50мм), чтобы исключить разрушение контейнера и выплёскивание части расплава: при плавлении твёрдые куски, остающиеся в верхней части навески в какой-то момент начинают проседать и падать в расплав. Формирование навески из более мелких фракций навески нецелесообразно, поскольку не достигая температуры плавления частицы могут спекаться, образуя массивное тело. Особенно небезопасным может быть плавление мелкоизмельченных многокомпонентных навесок, поскольку в зонах контакта частиц могут образовываться спайки.

2. При необходимости в установке создаётся атмосфера с необходимыми параметрами (для монокристаллического кремния — это нейтральная аргоновая атмосфера с давлением не более 30 Торр).

3. Навеска шихты расплавляется, при этом подвод энергии ведётся преимущественно снизу и с боков контейнера. Это связано с тем, что при оплавлении навески сверху вниз расплавленный материал будет стекать вниз и кристаллизоваться на более холодной шихте с риском разрушения стенок контейнера.

4. Выставляется такое положение уровня расплава относительно нагревателя при котором создаются необходимые условия для начала кристаллизации исключительно в центре расплава вблизи от его поверхности. Строго говоря, классический метод Чохральского, применительно к выращиванию слитков кремния диаметром свыше 50 мм, имеет ещё одну зону локального переохлаждения вблизи зоны контакта трёх фаз (расплав-тигель-атмосфера), однако, в отсутствие затравочных центров, кристаллизация в этой области не начинается. При этом в ростовой установке возникают (определяемые конструкцией теплового узла) квазистационарные условия с определённым градиентом температурного поля, обеспечивающим возникновение и поддержание устойчивых ламинарных потоков расплава. Отмечено, что на кристаллах больших диаметров, помимо ламинарных перемешивающих потоков в объёме расплава, вблизи фронта кристаллизации дополнительно формируется некоторое нечётное количество турбулентных вихрей, отвечающих за неравномерность распределения примесей в зоне формирования. В дальнейшем необходимые условия обеспечиваются, в основном, поддержанием постоянства положения уровня расплава относительно нагревателя.

5. Система выдерживается в таком состоянии для стабилизации потоков и распределения температуры в системе. Для кремния по разным данным время выдержки может составлять от 15 минут до нескольких часов. Выдержка может проводиться как пассивно (собственно выдержка), так и активно — сопровождаясь активным изменением режимных параметров процесса.

6. Жёсткая или гибкая подвеска (зависит от производителя оборудования) с закре