Электронно-дырочный (p—n) переход

Если привести в соприкосновение на расстоянии порядка атомных два n/n с различным типом проводимости, то в результате градиента концентрации основных носителей на границе начнется их направленное движение.

Электроны, которых много в n-области, будут переходить в p-область, а дырки — в n-область. При этом нарушится электронейтральность n-
и p-областей у границы (n—p) перехода.

Электронная n-область зарядится положительно, а дырочная
p-область — отрицательно. В результате этого образуется электрическое приграничное диффузионное контактное поле Е_Д, направленное от (+) к (-). Это поле создает потенциальный барьер для дальнейшего перехода ē в p-область, а дырок — в n-область. Возникает область пространственного заряда (Δ) в несколько мкм, с большим электросопротивлением, лишенная носителей.

Если применить внешнее электрическое поле к p-области (-), а к n-области (+), то область объемного заряда будет расширяться, а барьер увеличиваться. Сопротивление p—n-перехода возрастает, а ток будет проходить очень малый.

Если полярность изменить, то через данный переход будет проходить большой ток, обусловленный основными носителями заряда обеих областей. При этом внешнее поле будет направлено встречно с направлением потенциального барьера Е_Д и будет им уничтожено. Следовательно, p—n-переход обладает униполярной проводимостью. Данная особенность используется для изготовления множества активных приборов и устройств: диодов, триодов, фотоэлементов и др.

Для изготовления p—n-переходов используются обычно монокристаллические материалы — кремний, германий, селен, а также соединения — арсенид галлия, фосфид галлия и др.

Чем шире запрещенная зона полупроводника, тем до более высокой температуры может работать прибор.

3.3 Термоэлектрические свойства полупроводников

Данные свойства полупроводников используются для изготовления терморезисторов и термоэлементов.

Терморезисторы — сопротивления, величина которых изменяется от температуры. Используются как датчики температуры в различных схемах автоматики.

Термоэлементы — устройства, с помощью которых можно преобразовывать энергию электрического поля в тепловую энергию, и наоборот — тепловую в электрическую. Эти преобразования основаны на эффектах Зеебека (1821 г.) и Пельтье (1834 г.). Термоэлемент представляет собой два разнотипных полупроводника, концы которых с одной стороны соединены токопроводящей пластиной (1), а вторые концы разомкнуты, и к ним можно присоединить измерительный прибор или источник постоянного тока (рис. 8).

Рис. 8. Схемы, иллюстрирующие эффекты Пельтье (а) и Зеебека (б)

Эффект Пельтье возникает в случае, когда к p-столбику полупроводника прикладывается (-) источника питания, а к n-столбику — (+). Один из спаев (верхний) будет охлаждаться, а второй спай (нижний) нагреваться.

При эффекте Зеебека постоянная разность потенциалов возникает вследствие нагрева, например, верхнего спая и охлаждения нижнего.

К металлам термоэлементов предъявляются следующие требования — высокая электропроводность при низкой теплопроводности. Таким требованиям удовлетворяют сложные соединения, например, типа Bi₂Te₅, Sb₂Se₃ и т. д.

3.4 Фотоэлектрические свойства полупроводников

Физический процесс внутреннего освобождения электронов фотонами называется внутренним фотоэффектом, а добавочная электропроводимость, обусловленная этим процессом, называется фотопроводимостью.

На основе этих свойств изготавливаются фоторезисторы.

Фоторезисторы — элементы, сопротивления которых зависят от интенсивности светового потока, действующего на него.

Если энергия фотона (Wф), падающего на поверхность фоторезистора, больше энергии примеси (Wпр), при Wф > Wпр возникает примесная фотопроводимость, если полупроводник не подвергается облучению, он обладает темновой электропроводимостью. Для изготовления фоторезисторов используются соединения типа PbS, CdS и другие.

Фотоэлементы — элементы, служащие для преобразования световой энергии в электрическую. Используются в солнечных батареях, вентильных элементах. В основе фотоэлементов лежит p—n-переход (рис. 9).

 

Рис. 9. Схема работы фотоэлемента

Когда световой поток падает на прозрачную верхнюю часть фотоэлемента с энергией Wф > Wфэ, то в верхней части образовываются электроны и дырки. Они диффундируют вглубь фотоэлемента. Подходя к p—n -переходу, разделяются. Неосновные носители заряда для верхней части втягиваются в нижнюю часть фотоэлемента, а основные носители скапливаются в верхней части.

Таким образом скапливаются разные типы зарядов в фотоэлементе, создающие в дальнейшем электрическое поле.

Для изготовления фотоэлемента используют соединения SiSe, GaAs и другие с шириной запрещенной зоны 1 эВ…3 эВ.

4 Магнитные материалы

4.1 Классификация магнитных материалов

Магнитными материалами называются материалы, основным свойством которых является способность намагничиваться под влиянием внешнего магнитного поля.

Все вещества по отношению к магнитному полю разделяются на следующие группы:

1. Диамагнетики — материалы, не имеющие постоянного магнитного дипольного момента, обладающие относительной магнитной проницаемостью, чуть меньше единицы (μ < 1). К ним относятся инертные газы, водород, медь, цинк, серебро, золото, сурьма и др.

2. Парамагнетики — материалы, имеющие постоянные магнитные дипольные моменты, обладающие относительной магнитной проницаемостью, чуть больше единицы (μ > 1). Магнитные дипольные моменты расположены беспорядочно, поэтому взаимодействие между ними слабое. К ним относятся кислород, алюминий, платина, щелочные металлы, соли железа, никеля, кобальта и др.

3. Антиферромагнетики — материалы, имеющие постоянные магнитные дипольные моменты, расположенные антипараллельно друг другу. Относительная магнитная проницаемость чуть больше единицы (μ > 1), очень слабо зависит от напряженности магнитного поля и температуры. К ним относятся окиси кобальта, марганца, фтористый никель и др.

4. Ферромагнетики — материалы с доменной структурой, имеющие постоянные магнитные дипольные моменты, расположенные параллельно друг другу и одинаково направленные, с сильным взаимодействием между ними. Относительная магнитная проницаемость велика (μ >> 1), зависит от напряженности магнитного поля и температуры. К ним относятся железо, никель, кобальт и сплавы на их основе, также редкоземельные элементы.

5. Ферримагнетики — материалы с антипараллельными постоянными магнитными дипольными моментами, которые не полностью компенсируют друг друга. Чем меньше такая компенсация, тем выше их ферромагнитные свойства. Относительная магнитная проницаемость их может быть близка к единице, а может доходить до десятков тысяч. К ним относятся ферриты — окислы двухвалентных металлов с Fe₂O₃.

Диамагнетики, парамагнетики, антиферромагнетики — слабомагнитные вещества. Ферромагнетики, ферримагнетики — сильномагнитные вещества.

Условия существования и проявления ферромагнитных свойств:

1. Существование элементарных круговых токов в атомах.

2. Наличие нескомпенсированных спиновых моментов электронов.

3. Соотношение между диаметром электронной орбиты (D) и параметром решетки (а) должно быть: 2,8 > а/D > 1,6.

4. Наличие доменной структуры, параллельно ориентированной.

5. Температура материала должна быть ниже точки Кюри.

4.2 Основные характеристики ферромагнетиков

Характерным свойством ферромагнетика является наличие спонтанной намагниченности без приложения внешнего магнитного поля. Магнитный поток такого тела равен нулю.

Если поместить его в магнитное поле, то оно приобретает магнитный момент.

Намагничивание вещества характеризуют следующие характеристики:

— магнитная индукция В (Тл);

— напряженность магнитного поля Н (А/м);

— интенсивное намагничивание (намагниченность) J (А/м) —магнитный момент единицы объема;

— магнитная восприимчивость (К_m) — безразмерная величина, характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле;

— относительная магнитная проницаемость µ = 1 + К_m — показывает, во сколько раз магнитная индукция (В) поля в данной среде больше, чем магнитная индукция (Во) в вакууме.

Магнитный поток Ф (Вб):

J = K_m H;

В = В_о + В_вн = μ_о (Н + J) = μ_о Н (1 + Кm) = μ_о μ Н = μ_абс Н,

где В_о — магнитная индукция собственного магнитного поля;

В_вн — магнитная индукция внешнего магнитного поля;

В — суммарное магнитное поле;

μ_о — магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума);

µ_о = 4 π 10^-7, Гн/м.

Процесс намагничивания заключается в следующем:

1. Рост доменов, магнитные моменты которых близки по направлению с внешним полем и уменьшением других доменов.

2. Ориентация магнитных моментов всех доменов в направлении внешнего поля.

Процесс намагничивания характеризуется своей кривой намагничивания (В = f(Н)). При циклическом намагничивании ферромагнетиков кривые намагничивания и размагничивания образуют петлю гистерезиса. По предельной петле можно получить полную информацию об основных магнитных параметрах материала (рис. 10).

Рис. 10. Петля гистерезиса ферромагнитного материала

Основными магнитными параметрами являются следующие:

1. Остаточная магнитная индукция (Вr) — индукция в намагниченном материале, при котором напряженность магнитного поля Н равна 0.

2. Коэрцитивная сила (Нс) — напряженность магнитного поля, которую нужно приложить к образцу, чтобы снять остаточную индукцию.

3. Индукция насыщения (Вmax, Тл) — это максимальная индукция Вmax, которая достигается при полном насыщении образца.

4. Удельные потери на гистерезис (Рr, Вт) за один цикл перемагничивания характеризуются площадью, охватываемой предельной петлей гистерезиса.

5. Абсолютная магнитная проницаемость (m_а).

6. Амплитудная магнитная динамическая проницаемость.

7. Температурный коэффициент магнитной проницаемости (ТКm).

8. Потери на вихревые токи — мощность, учитывающая потери на вихревые токи в магнитном материале.

9. Удельные потери в магнитном материале — суммарные потери, возникающие при заданной магнитной индукции и частоте переменного поля, отнесенного к 1 кг материала, при синусоидальной форме переменной магнитной индукции.

10. Максимальная удельная энергия — энергия магнитно-твердого материала, создаваемого магнитом в воздушном зазоре, отнесенная к единице объема магнита.

11. Удельное электрическое сопротивление (r) — электрическая характеристика магнитного материала, определяющая потери на вихревые токи.

4.3 Классификация магнитных материалов

По основным магнитным параметрам ферромагнетики можно классифицировать на следующие группы:

1. Магнитно-мягкие — материалы с малым значением коэрцитивной силы (Н_с) до 100 А/м, большой величиной магнитной проницаемости и малыми потерями на гистерезис. Используются в качестве магнитопроводов электрических машин, трансформаторов, измерительных приборов, катушек индуктивности и т. д.

К магнитно-мягким материалам относятся:

— технически чистое железо, карбонильное железо;

— электротехническая сталь;

— пермаллои;

— альсиферы;

— ферриты (медно-марганцевые);

— термомагнитные сплавы (Ni — Cr — Fe) и другие.

2. Магнитно-твердые — материалы, имеющие большую коэрцитивную силу (Нс > 100 А/м).

Применяются для изготовления постоянных магнитов электрических машин, электроизмерительных приборов, в которых используется магнитная энергия в воздушном зазоре между полюсами магнита.

К магнитно-твердым материалам относятся:

— литые сплавы — альни (Al — Ni — Fe);

— альнико (Al — Ni — Cr — Fe);

— магнико;

— легированные стали, закаливаемые на мартенсит, и др.

3. Прецизионные материалы со специальными свойствами, например, с высокой магнитострикцией, термомагнитными, коррозионностойкими и др. свойствами.

Классификация магнитных материалов в соответствии с их основой:

1. Металлические магнитно-мягкие материалы — электролитическое железо, листовая электротехническая сталь, железо — армко, пермаллои.

Сталь электротехническая имеет следующую классификацию:

По структурному состоянию и виду прокатки:

1-й класс — горячекатаная, изотропная;

2-й класс — холоднокатаная, изотропная;

3-й класс — холоднокатаная, анизотропная, с ребровой структурой.

По содержанию кремния:

0 — кремния в количестве до 0,4%,

1 — кремния в количестве от 0,4 до 0,8%,

2 — кремния в количестве от 0,8 до 1,8%,

3 — кремния в количестве от 1,8 до 2,8%,

4 — кремния в количестве от 2,8 до 3,8%,

5 — кремния в количестве от 3,8 до 4,8%.

В зависимости от основной нормируемой характеристики сталь делится на группы:

0 — удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и f = 50 Гц;

1 — удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и f = 50 Гц;

2 — удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и f = 400 Гц;

6 — магнитная индукция в слабых полях при Н = 0,4 А/м;

7 — магнитная индукция в средних полях при Н = 10 А/м.

Цифровое обозначение стали:

1 — цифра указывает класс по структурному состоянию;

2 — цифра указывает содержание кремния;

3 — цифра указывает группу по основной нормируемой характеристике;

4 — цифра указывает порядковый номер типа стали.

Пример обозначения стали:

1511 — электротехническая сталь, тонколистовая, горячекатаная, изотропная, с содержанием кремния от 3,8 до 4,8%, удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и f = 50 Гц;

3411 — электротехническая сталь, тонколистовая, холоднокатаная, изотропная с ребровой структурой, кремния в количестве от 2,8 до 3,8, удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и f = 50 Гц.

Пермаллои — железо-никелевые сплавы с содержанием никеля от 36 до 80%, с добавлением легирующих элементов, таких как кобальт, хром, молибден и др. Они обладают легкой намагничиваемостью в слабых полях, имеют повышенное удельное сопротивление, применяются при f = до 200…500 кГц, пластичны, прокатываются в листы, ленты толщиной до 0,0015 мм, чувствительны к деформации. Примеры маркировки: 79НМ, 80НХС, 50НХС, 45Н, 50Н, 50НП, 65НП.

Нанокристаллические или аморфные сплавы Гаммамет на основе железа и кобальта. Изготавливают из аморфной ленты толщиной 20…25 мкм, обладают высокой магнитной проницаемостью, низкими магнитными потерями, высокой запасенной магнитной энергией, эксплуатируются при температуре до –60…+125 и f до 1 МГц, срок службы до 30 лет.

Пример маркировки: ГМ N1 N2 N3, где N1 — цифра указывает основной химический элемент, N2 N3 — цифры, указывающие код химического состава. Например ГМ501.

2. Металлические магнитно-твердые материалы — легированные стали, специальные сплавы на основе железа, алюминия, никеля
с легирующими добавками кобальта, кремния.

3. Неметаллические материалы — материалы, получаемые из порошкообразной смеси окислов двухвалентных металлов и окиси железа (ферриты) методом порошковой металлургии. Ферриты могут быть магнитно-мягкими и магнитно-твердыми, в зависимости от кристаллического строения, например: типа шпинель (MgAl₃O₄); гаусмагнит (Mg₃O₄); гранат (Ga₃Al₂ (Si O₄)₃ и другие. Электрическое удельное сопротивление их велико — от 5 10³ до 10¹⁰ Ом × м. Потери их на вихревые токи малы.

4. Магнитодиэлектрики — материалы, состоящие из ферромагнитного порошка с диэлектрической смолой.

Порошок берется обычно на основе магнитно-мягкого материала — карбонильное железо, альсифер, а связующим диэлектриком служит материал с малыми диэлектрическими потерями — полистирол, бакелит и другие.

Приложение 1