додати матеріал

приховати рекламу

Застосування напівпровідників у техніці

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

ЗМІСТ
Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .3
Глава I. Загальні відомості про напівпровідників
1.1 Теорія і властивості ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .5
1.2 Методи очищення і переплавлення напівпровідникових матеріалів ... .. 11
Глава II. Металургія германію та кремнію ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .12
Глава III. Застосування напівпровідників
3.1 Теплові опору ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 15
3.2 фотосопротивлений ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .18
3.3 Термоелементи ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .19
3.4 Холодильники та нагрівачі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 20
Висновок ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 24
Література ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .25

ВСТУП

Напівпровідники як особливий клас речовин, були відомі ще з кінця XIX століття, тільки розвиток теорії твердого тіла дозволила зрозуміти їх особливість. Напівпровідниками називають речовини, що володіють електронною провідністю, що займає проміжне положення між металами і ізоляторами. Від металів вони відрізняються тим, що носії електричного струму в них створюються тепловим рухом, світлом, потоком електронів і т.п. джерелом енергії. Без теплового руху (поблизу абсолютного нуля) напівпровідники є ізоляторами. З підвищенням температури електропровідність напівпровідників зростає і при расплавлении носить металевий характер.
Задовго до цього були виявлені:
1. ефект випрямлення струму на контакті метал-напівпровідник
2. фотопровідність.
Були побудовані перші прилади на їх основі.
О. В. Лосєв 1 (1923) довів можливість використання контактів напівпровідник-метал для посилення і генерації коливань (кристалічний детектор). Проте в подальші роки кристалічні детектори були витіснені електронними лампами і лише на початку 50 - х років з відкриттям транзисторів (США 1949 рік) почалося широке застосування напівпровідників (головним чином германію та кремнію в радіоелектроніці. Одночасно почалося інтенсивне вивчення властивостей напівпровідників, чому сприяло вдосконалення методів очищення кристалів і їх легування (введення в напівпровідник певних домішок).
У СРСР вивчення напівпровідників почалися в кінці 20 - х років під керівництвом академіка А.Ф. Іоффе2 у Фізико-технічному інституті АН СРСР.
Інтерес до оптичних властивостей напівпровідників зріс у зв'язку з відкриттям вимушеного випромінювання в напівпровідниках, що призвело до створення напівпровідникових лазерів спочатку на p - n - переході, а потім на гетеропереходів.
Останнім часом більшого поширення набули прилади, засновані на дії напівпровідників. Ці речовини стали вивчати порівняно недавно, проте без них уже не може обійтися ні сучасна електроніка, ні медицина, ні багато інших наук.
                      
1. Загальні відомості про напівпровідників
1.1 Теорія та властивості
Напівпровідниками називають речовини, що володіють електронною провідністю, що займає проміжне положення між металами і ізоляторами.
Від металів вони відрізняються тим, що носії електричного струму в них створюються тепловим рухом, світлом, потоком електронів і т.п. джерелом енергії. Без теплового руху (поблизу абсолютного нуля) напівпровідники є ізоляторами. З підвищенням температури електропровідність напівпровідників зростає і при расплавлении носить металевий характер.
До напівпровідниковим матеріалів відноситься більшість мінералів, неметалеві елементи IV, V, VI груп періодичної системи Менделєєва, неорганічні сполуки (оксиди, сульфіди), деякі сплави металів, органічні барвники. Широко застосовуються напівпровідниковими матеріалами є елементи IV групи періодичної системи Менделєєва - германій та кремній1. Це речовини, кристалізується в решітці типу алмазу. Така грати є тетраедр, по вершинах якого розташовані чотири атома, що оточують атом, що знаходиться в центрі тетраедра. Тут кожен атом пов'язаний з чотирма найближчими сусідами силами ковалентного зв'язку, тому що кожний з них має чотири зовнішніх валентних електрона.
При температурах близько абсолютного нуля в ідеальному кристалі кремнію або германію всі ковалентні зв'язки заповнені, а всі електрони зв'язані з атомами і не можуть брати участь у процесі електропровідності. Щоб електрон міг проводити електричний струм, потрібно затратити деяку роботу для його звільнення з ковалентного зв'язку.
Це відбувається при висвітленні кристала. Світло, як відомо, представляє собою потік часток - фотонів, або квантів світла. Якщо енергія фотона більше або дорівнює енергії розриву зв'язку, то електрон може стати вільним і зможе приймати участь в процесі електропровідності. Тут відбувається перехід електронів із зовнішньої заповненої зони в зону провідності. При цьому замість пішов електрона в кристалі з'являється незаповнена зв'язок, яка може бути зайнята електроном з іншої якої-небудь зв'язку. Одночасно в раніше заповненої зоні утворюється дірка. Таким чином, незаповнена зв'язок або дірка може переміщатися по кристалу. Ця незаповнена зв'язок еквівалентна позитивної частці, що рухається по кристалу під дією зовнішнього електричного поля. У дійсності дірки не представляють собою позитивно заряджених частинок. Очевидно, що в ідеальному кристалі кількість дірок буде дорівнює кількості вільних електронів.
З припиненням освітлення електропровідність кристала почне зменшуватися, оскільки електрони, які звільнилися під дією світла, будуть розміщуватися у зв'язках, тобто відбудеться рекомбінація електронів і дірок. Цей процес закінчується протягом тисячних часток секунди або менше і кристал знову перестає проводити електричний струм. Явище, при якому виникає електричний струм під дією світла в кристалі, вміщеному в зовнішнє електричне поле, називається фотопровідність.
Найменша енергія, яка необхідна для перекладу електрона із заповненої зони в зону провідності, визначає собою величину енергетичного інтервалу між цими двома або ширину забороненої зони.
Для розриву валентних зв'язків при дуже низьких температурах необхідна енергія, рівна 1.2 еВ (~ 0.1922 адж) для кремнію і 0.75 ев (~ 0.1201 адж) для германію. У світловому промені енергія фотонів значно вище: так, для жовтого світла вона складає 2 ев (0.3204 адж).
Звільнення електронів може статися й іншим шляхом, наприклад при нагріванні кристала, коли енергія коливання атомів в кристалічній решітці може збільшитися настільки, що зв'язки зруйнуються і електрони зможуть звільнитися. Цей процес також протікає з утворенням дірок.
В ідеальних кристалах, де кількості електронів і дірок рівні, провідність називається власної. Так як питомий опір ідеальних кристалів напівпровідників залежить тільки від температури, то величина його може служити характеристикою даного напівпровідника. Опір ідеальних кристалів називають власним опором напівпровідника, наприклад, для кремнію при 300 ° К власний питомий опір дорівнює 63600 ом · см (636 ом · м), а для германію при тій же температурі 47 ом · см (0.470 ом · м).
Ідеальні кристали, не містять ніяких домішок, зустрічаються дуже рідко. Домішки в кристалах напівпровідників можуть збільшувати кількість електронів чи дірок. Було встановлено, що введення одного атома сурми в кубічний сантиметр германію або кремнію призводить до появи одного електрона, а одного атома бору - до появи однієї дірки.
Поява електронної або діркової провідності при введенні в ідеальний кристал різних домішок відбувається наступним чином. Припустимо, що в кристалі кремнію один з атомів заміщений атомом сурми. Сурма на зовнішній електронній оболонці має п'ять електронів (V група періодичної системи). Чотири електрона утворюють парні електронні зв'язку з чотирма найближчими сусідніми атомами кремнію. Що залишився п'ятий електрон буде рухатися близько атома сурми по орбіті, подібної орбіті електрона в атомі водню, але сила його електричного притягання до ядра зменшиться відповідно діелектричної проникності кремнію. Тому, щоб звільнити п'ятий електрон, потрібна незначна енергія, рівна приблизно 0,05 ев (~ 0,008 адж). Слабо пов'язаний електрон легко може бути відірваний від атома сурми під дією теплових коливань решітки при низьких температурах. Така низька енергія іонізації домішкового атома означає, що при температурах близько -100 ° с, всі атоми домішок в германії і кремнії вже іонізовані, а звільнені електрони беруть участь в процесі електропровідності. У цьому випадку основними носіями заряду будуть електрони, тобто тут має місце електронна провідність або провідність n-тіпа1 (n - перша літера слова negative).
Після того як «зайвий», п'ятий, електрон видалений, атом сурми стає позитивно зарядженим іоном, які мають чотири валентних електрони, як і всі атоми кремнію, тобто іон сурми стає заступником кремнію в кристалічній решітці.
Домішки, які зумовлюють виникнення електронної провідності в кристалах, називаються донорами. У кремнії і германії ними є елементи V групи таблиці Менделєєва - сурма, фосфор, миш'як і вісмут. Тривалентний атом домішки бору в решітці кремнію веде себе по-іншому. На зовнішній оболонці атома бору є лише три валентних електрона. Значить, не вистачає одного електрона, щоб заповнити чотири валентні зв'язки з чотирма найближчими сусідами. Вільна зв'язок може бути заповнена електроном, який перейшов з будь-якої іншої зв'язку, цей зв'язок заповниться електронами наступній зв'язку і т.д. Позитивна дірка (незаповнена зв'язок) може переміщатися по кристалу від одного атома до іншого (при русі електрона в протилежному напрямку). Коли електрон заповнить відсутню валентну зв'язок, домішковий атом бору стане негативно зарядженим іоном, який заміняє атом кремнію в кристалічній решітці. Дірка буде слабко пов'язана з атомом бору силами електростатичного притягання і буде рухатися біля нього по орбіті, подібної орбіті електрона в атомі водню. Енергія іонізації, тобто енергія, необхідна для відриву дірки від негативного іона бору, буде приблизно дорівнює 0,05 ев. Тому при кімнатній температурі всі тривалентні домішкові атоми іонізовані, а дірки беруть участь у процесі електропровідності. Якщо в кристалі кремнію є домішка тривалентних атомів (III група періодичної системи), то провідність здійснюється в основному дірками. Така провідність називається діркової або провідності р (р - перша літера слова positive). Домішки, що викликають дірковий провідність, називаються акцепторами. До акцепторів в германії і кремнії відносяться елементи третьої групи періодичної системи: галій, талій, бор, алюміній.
Кількість носіїв струму, що виникають при введенні домішки кожного виду окремо, залежить від концентрації домішки і енергії її іонізації в даному напівпровіднику. Однак більшість практично використовуваних домішок при кімнатній температурі повністю ионизировано, тому концентрація носіїв, створювана при цих умовах домішками, визначається тільки їх концентрацією і для багатьох з них дорівнює числу введених в напівпровідник атомів домішки.
Кожен атом донорної домішки вносить один електрон провідності, отже, чим більше донорних атомів в кожному кубічному сантиметрі напівпровідника, тим більше концентрація їх перевищує концентрацію дірок, і провідність носить електронний характер. Зворотне положення має місце при введенні акцепторних домішок.
При рівній концентрації донорної та акцепторної домішок в кристалі провідність буде забезпечуватися, як і у власному напівпровіднику, електронами і дірками за рахунок розриву валентних зв'язків. Такий напівпровідник називається компенсованим.
Кількість електрики, стерпного дірками або електронами, визначається не тільки концентрацією носіїв, а й рухливістю електронів і дірок.
Найважливішою характеристикою, що визначає якість германію та кремнію в техніці напівпровідникових приладів, є величина τ, звана часом життя неосновних носіїв струму. У більшості випадків τ бажано мати максимальним.
Для використання германію та кремнію в напівпровідникових приладах (наприклад, сонячних батареях, перетворюючих світлову енергію в електричну) та інфрачервоній оптиці важливо знати коефіцієнт заломлення, відбивну здатність і пропускання світла в широкому діапазоні довжин хвиль.
Поряд з елементарними напівпровідниками в напівпровідниковій техніці знаходять широке застосування напівпровідникові сполуки, одержувані шляхом сплаву або хімічної обробки чистих елементів. Такі закис міді (Cu2O), з якої виготовляють напівпровідникові випрямлячі різноманітних типів, сурм'янисті цинк (SbZn), використовуваний для виготовлення напівпровідникових термобатарей, теллурістий свинець (PbTe), який знайшов застосування для виготовлення фотоелектричних приладів і для негативної гілки термоелементів і багато інших.
Особливий інтерес представляють з'єднання типу АIIIВV1. Отримують їх шляхом синтезу елементів III і V груп періодичної системи елементів Менделєєва. З сполук цього типу найбільш цікавими напівпровідниковими властивостями володіють A1P, A1As, A1Sb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb. По ряду властивостей ці сполуки близькі до напівпровідникових елементів IV групи германію і кремнію. Рухливість носіїв струму в них досягає великих значень; ширина забороненої зони у деяких з цих сполук також велика; домішки, що вводяться в них, змінюють механізм електропровідності; так, деякі атоми II групи ведуть себе як акцептори, а ряд атомів VI групи - як донори.
1.3 Методи очищення і переплавлення напівпровідникових матеріалів
Напівпровідникова техніка вимагає застосування особливо чистих матеріалів. Домішки, як було вже зазначено, змінюють властивості напівпровідників. Тому залежно від призначення матеріалів кількість домішок у них обмежують. Легуючі добавки, що вводяться в напівпровідники для додання їм певних властивостей, також повинні бути чисті від домішок.
У сучасній техніці користуються рядом способів отримання матеріалів високої чистоти. Такі йодідного метод, застосовуваний для очищення деяких металів, і метод зонної плавки; обидва вони описані в розділі виробництва титану. Крім цих методів, для очищення напівпровідникових матеріалів застосовують деякі види їх переплавлення.
Найпростішим є відкрита переплавлення в тиглі, що встановлюється в електричній печі. Під час переплавлення порошкоподібного матеріалу з нього видаляються волога, гази і оксиди (останні спливають вгору). Деякі окисли тверднуть на поверхні розплаву, який можна злити, прибиванням отвори в кірці окислів.
Більше повної є очищення, вироблена при переплавки в вакуумі. Матеріал, що підлягає очищенню, завантажують у кварцову ампулу, яку поміщають в електричну піч. Відкритий кінець ампули з'єднують з вакуумною установкою і відкачують виділяються під час розплавлення матеріалу гази і летючі з'єднання. Відкачування триває від декількох хвилин до декількох годин в залежності від часу плавки.
Високий ступінь чистоти напівпровідникових матеріалів отримують сублімацією або сублімацією. Цей метод заснований на здатності деяких твердих речовин переходити в пароподібний стан, минаючи рідку фазу, а потім у зворотному порядку переходити з пароподібного в твердий стан, утворюючи твердий продукт - сублімат. Такими властивостями володіють деякі напівпровідники. Можливість сублімації визначається пружністю пари домішок або чистої речовини при даній температурі. Напівпровідникові матеріали мають досить високою пружністю пари, що дає можливість виробляти сублімацію при відносно низьких температурах і невеликій вакуумі. Сублімат1 осідає на стінках вертикально встановленого конденсатора, причому найбільш леткі домішки осідають у верхній зоні, найменш леткі - внизу, а труднолетучие залишаються у залишку. У результаті повторної сублімації отримують більш чистий продукт.
Різні методи очищення напівпровідників дають можливість отримувати продукт необхідної чистоти. Так, наприклад, зонної плавкою забрудненого германію вдається знизити число атомів домішки в ньому до одного на 10 атомів германію.
2. Металургія германію та кремнію
Германій належить до рідкісних розсіяним у природі елементам. Запаси його в земній корі складають 7.10%. Атомний вага германію 72,6, температура плавлення 958,5 ° С. виробляють його з відходів цинкового виробництва, пилу, одержуваної при спалюванні вугілля, германієвих концентратів, які з мідно-свинцево-цинкових сульфідних руд і містить германій пилу, вловлюється при мідної плавці. Технологія отримання германію здійснюється шляхом перетворення двоокису в тетрахлорид германію, очищення останнього і перетворення тетрахлорида в двоокис з подальшим відновленням двоокису. Ці процеси можна уявити рівняннями реакцій:
GeO2 +4 HCl ↔ GeCl4 +2 H2O.
При концентрації HCl> 6n реакція зрушена вправо; при меншій концентрації - реакція протікає справа наліво.
Температура кипіння отриманого тетрахлориду германію 83єC. Тому що разом з ним у сконденсованої рідини є і інші сполуки, то його піддають ректифікації. Після цього тетрахлорид германію переводять в двоокис за рівнянням
GeCl4 + (x +2) H2O = GeO2xH2O +4 HCl.
Отриману чисту двоокис германію відновлюють у трубчастої електричної печі воднем. Відновлення протікає за реакцією
GeO2 +2 H2 = Ge +2 H2O,
При температурі 600 ° C, протягом 20-50 хв, після чого човник з відновленим германієм пересувається у зону більш високих температур і при 1000-1100 ° C відбувається сплавлення.
Кремній - найпоширеніший елемент у природі. У земній корі його 27.6%. атомна вага кремнію 28.06. температура плавлення 1415 ° C, температура кипіння близько 2600 ° C. Технологія отримання його відрізняється від технології отримання германію. Вихідна сировина у вигляді двоокису кремнію широко поширене в природі. З кремнезему в дугових електричних печах шляхом відновлення його вуглецем коксу одержують кремній чистотою до 97%. Відновлення протікає за рівнянням
SiO2 +2 C = Si +2 CO.
Шляхом хлорування технічного кремнію отримують тетрахлорид кремнію. Найстаршим методом розкладання тетрахлориду кремнію є метод видатного російського хіміка академіка М. М. Бекетова. Метод цей можна представити рівнянням:
SiCl4 + Zn = Si +2 ZnCl2.
Тут пари тетрахлориду кремнію, киплячого при температурі 57,6 ° C, взаємодіють з парами цинку.
В даний час тетрахлорид кремнію відновлюють воднем. Реакція протікає за рівнянням:
SiCl4 +2 Н2 = Si +4 НCl.
Кремній виходить в порошкоподібному вигляді. Застосовують і йодідного спосіб отримання кремнію, аналогічний описаному раніше йодідного методу отримання чистого титану.
Щоб отримати чистими германій і кремній, їх очищають від домішок зонної плавкою аналогічно тому, як отримують чистий титан.
Для цілого ряду напівпровідникових приладів переважні напівпровідникові матеріали, одержувані у вигляді монокристалів, так як в полікристалічному матеріалі мають місце неконтрольовані зміни електричних властивостей.
При обертанні монокристалів користуються методом Чохральського, що полягає в наступному: у розплавлений матеріал опускають стержень, на кінці якого є кристал даного матеріалу; він служить зародком майбутнього монокристала. Стрижень витягають з розплаву з невеликою швидкістю до 1-2 мм / хв. У результаті поступово вирощують монокристал потрібного розміру. З нього вирізують пластинки, використовувані в напівпровідникових приладах.
Маркування германію і кремнію роблять за буквено-цифровій системі. Германій електронний, легований сурмою, позначають ГЕЛС. За буквами цифри вказують питомий опір ом · см (ом · м), а якщо їх дві групи, як, наприклад, 0,3 / 0,2, то перші (0,3) означають питомий опір, а другі (0,2 ) - дифузійну довжину неосновного носія струму, мм. Кремній монокристалічний дірковий маркують КМ-2, де цифра показує питомий опір ом · см; кремній монокристалічний електронний маркують важкі мостові-2.
2. Застосування напівпровідників
3.1 Теплові опору (термістори)
Зміна електропровідності напівпровідників під впливом температури дозволило застосовувати їх у приладах, робота яких заснована на використанні цієї властивості. Напівпровідники використовують як термометрів для виміру температур навколишнього середовища. Вони більш чутливі, ніж термометри опору, що виготовлені з металу під назвою болометрів і вживані в лабораторній практиці для виміру дуже високих або найнижчих температур. Про температуру судять, заміряючи електричний опір болометра. Але точність вимірювання за допомогою цих приладів невелика, так як метали змінюють свій опір всього на 0,3% на кожен градус. Інше становище має місце при використанні напівпровідників. У деяких напівпровідників підвищення температури на 1 ° C збільшує електропровідність на 3-6%, підвищення температури на 10 ° - приблизно на 75%, а підвищення температури на 100 ° C збільшує електропровідність в 50 разів. Завдяки високому питомому опору напівпровідників їх застосовують в якості чутливих термометрів при дистанційних вимірюваннях. Опір металевих проводів навіть дуже тонких і довжиною в кілька кілометрів виявляється нікчемною порівняно з опором термометра. Розміри напівпровідникових опорів можуть бути надзвичайно малими довжиною в декілька десятих доль міліметра. Це знижує інерційність приладу, тому що при малих розмірах опір швидко приймає температуру навколишнього середовища. Значна зміна електропровідності напівпровідників в залежності від температури забезпечує точність вимірювань.
Напівпровідникові термометри опору під назвою термісторів широко застосовують в техніці. З їх допомогою контролюють температуру у великому числі точок, причому показання її можуть бути отримані на приладах, встановлених в одному пункті. При такому контролі температур в приміщеннях з допомогою термісторів можна підтримувати температуру на бажаному рівні, включаючи і вимикаючи нагрівальні прилади, коли заданий рівень температури відхиляється від норми. Працюють вони при температурах до 300 ° C (573 ° K). Термістори можуть виконувати функції обмежувача часу. Для цього послідовно з напівпровідниковим термоопір включається те або інше активну електроопір. У результаті в мережі виходить зростаючий з часом струм, тому що струм розігріває напівпровідник і підвищує його електропровідність, отже, підвищується і величина струму в ланцюзі. У міру розігріву напівпровідника опір падає, а струм підвищується ще більшою мірою. Паралельно зі зростанням температури збільшуються і втрати тепла в навколишнє середовище до тих пір, поки вони не зрівняються з теплотою, що виділяється струмом; тоді буде досягнута рівноважна температура, яку напівпровідник і буде зберігати, поки до нього прикладена дана різниця потенціалів.
Тривалість часу, необхідного для досягнення рівноваги і певного струму при даній різниці потенціалів, визначається розмірами зразка та умовами охолодження. Таке «реле» часу допускає регулювання в найширших межах. Можна підібрати умови так, щоб цей час було від часток секунди до 10 хв. Після досягнення встановленого часу може проводитися автоматичне включення і відключення таких систем освітлення або діючих установок.
Термоопору застосовують як регулятори температури, температурні компенсатори, в приладах для вимірювання витоку газу, для дистанційного вимірювання вологості, для вимірювання високих тисків, механічної напруги, швидкості або кількості протікають рідини, швидкості руху газів, для вимірювання великих прискорень.
При виготовленні термісторів користуються оксидами різних металів, таких, як CuO, Mn3O4, UO2, а також Ag2S. Хороші результати дають суміші напівпровідників, такі, як CuO + Mn3O4; Mn3O4 + NiO; Mn3O4 + NiO + Co3O4.
Речовини, що використовуються для виготовлення термосопротивлений, представляють собою мелкокристаллические порошки. Складаючи суміш, регулюють їх провідність, обумовлену іонами з різною валентністю. Це дозволяє задовольняти найрізноманітніші вимоги, які пред'являються до терморезисторів в залежності від їх призначення.
Термоопору виготовляють пресуванням напівпровідникового порошку з наступним спіканням в тверду компактну масу, а також шляхом плавки напівпровідника для надання йому потрібної форми і розмірів. Виготовляють їх у вигляді кульок, стрижнів, дисків, шайб і лусочок.
Наша промисловість випускає різні типи термосопротивлений, серед яких найбільш поширеними є: ММТ-1, ММТ-4, КМТ-1, КМТ-4, ММТ-8 і ММТ-91. У цих марках літери є умовним позначенням матеріалу термосопротивлений, а цифри - його конструктивного оформлення. Перші чотири з наведених опорів застосовують для вимірювання та регулювання температури; в якості «реле» часу; для дистанційного вимірювання вологості повітря (за принципом психометра Ассмана); для виміру малих швидкостей руху та теплопровідності газів, рідин і для ряду інших цілей.
У якості змінних опорів без ковзаючого контакту в різних автоматичних схемах слабкого струму застосовують термоопору з непрямим підігрівом, що позначаються ТКП-300, ТКП-20, що означає термоопір непрямого підігріву, на відміну від ТП - термоопору прямого підігріву. Цифри вказують електроопір напівпровідника в омах при номінальній потужності, розсіюване в підігрівається обмотці.

3.2 фотосопротивлений
Переклад електронів у вільний стан чи освіту «дірок» у напівпровіднику може відбуватися не тільки під впливом тепла, але і в результаті впливу інших видів енергії, таких, як світлова, енергія потоку електронів, ядерних частинок. Збільшення кількості вільних електронів або «дірок» проявляється підвищенням електропровідності і виникненням струму.
У багатьох напівпровідників зв'язок між електронами і атомами настільки незначна, що променистої енергії світла цілком достатньо для перекладу електронів у вільний стан. Для жовтого світла енергія фотона становить 2 електрон-вольта, а у деяких напівпровідників переклад електронів у вільний стан відбувається під впливом кількох десятих часток електрон-вольта. У таких напівпровідників підвищення провідності спостерігається навіть під впливом інфрачервоній частині спектру. Це дає можливість виявляти на відстані багатьох кілометрів випромінювання, що виходить від навіть слабко нагрітих тіл. У результаті такого випромінювання має місце невелике підвищення струму в ланцюзі з відповідним напівпровідником. Первинне слабке підвищення струму потім багато разів збільшується за допомогою підсилювачів, іноді навіть у мільйон разів. Це дає необхідний сигнал.
Підвищення електропровідності, викликане світлом, носить назву фотопровідності, а засновані на цьому явищі прилади називають фотосопротивлений.
Підбирають фотосопротивлений в залежності від умов опромінення, в яких їм доводиться працювати. Найбільш вживані матеріали для фотосопротивлений у видимій частині спектру - сірчистий кадмій, сірчистий талій, сірчистий вісмут, а для інфрачервоних променів - сірчистий, селенистий і теллурістий свинець.
Фотосопротивлений широко застосовують для сигналізації та автоматики, керування на відстані виробничими процесами, сортування виробів. З їх допомогою попереджають нещасні випадки і аварії при порушенні ходу процесу, автоматично зупиняючи машини.
Фотоелектричне пристрій входить в дію від появи або зникнення променів на фотосопротивлений або різкої зміни їх інтенсивності, наприклад, при появі полум'я, настанні темряви, переривання променя.
Для контролю ходу процесу промінь світла направляють на фотосопротивлений. Між джерелом світла і фотосопротивлений знаходиться або проходить «покажчик», що свідчить про нормальний хід процесу. Таким дороговказом можуть бути вироби, безперервно рухаються на конвеєрній стрічці. У разі порушення нормального ходу процесу конвеєр може автоматично вимикатися.
Фотосопротивлений використовують для сортування виробів за їх забарвленні чи розмірами. У залежності від зміни розміру або фарбування вироби кількість світлової енергії, що потрапляє на фотосопротивлений, може змінюватися, а разом з цим змінюється провідність і струм у напівпровіднику. Це дає можливість спрямовувати відсортовані вироби в призначені для кожного з них місця.
3.3 Термоелементи
Термоелементи - прилади, в яких теплова енергія безпосередньо перетворюється в електричну.
Засновані вони на явищі Зеебека1, що полягає в тому, що при нагріванні місця спаю двох різнорідних металів у замкнутому ланцюзі виникає електрорушійна сила. Явище Зеєбека використовується давно для вимірювання температур за допомогою термопар. Для отримання електричної енергії з теплової металеві провідники не придатні, оскільки коефіцієнт корисної дії (ККД) термоелементів з дроту складає всього 0,5%. Для цієї мети використовують напівпровідники, які дають можливість безпосередньо перетворювати теплову енергію в електричну без участі будь-яких машин.
Коефіцієнт корисної дії термоелемента, складеного з напівпровідників, доходить до 7-10%, тобто знаходиться на рівні к.к.д. таких машин, як паровози, в яких він дорівнює 4-8%.
Термоелементи складають з напівпровідників з р - і n-провідністю, з'єднаних один з одним металевою пластинкою. Конструктивне виконання такого термоелемента схоже з термоелементом з металевих дротів. Прикладом гарної пари є цинк - сурма і сірчистий свинець. При підігріванні місця «спаю» напівпровідникових платівок у замкнутому ланцюзі виникає електрорушійна сила. З'єднання таких окремих термоелементів в батарею дає можливість одержувати постійний струм необхідного напруги в 120 і більше в; потужність більшості термогенераторів обмежена декількома десятками ват. Нещодавно створено термогенератор потужністю в 200 Вт, проектуються ще більш потужні.
Батареї з термоелементів з радіальним розташуванням окремих елементів, спаї яких сходяться в центрі кола, служать для отримання електроенергії, що живить радіоустановки, в місцях відсутності електричної енергії. Спаї в цьому випадку підігрівають гасової лампою або керогазів.
3.4 Холодильники та нагрівачі
Важливою особливістю, що відкриває широкі перспективи застосування напівпровідників, є отримання з їх допомогою холоду і тепла більш економічними шляхами.
Таке використання напівпровідників засноване на термоелектричних явищах, зворотних спостерігається в термоелементах. Струм, що виникає в замкнутому ланцюзі термоелемента, охолоджує гарячий спай і навпаки, підігріває холодне спай. При пропущенні ж струму через термоелементи у зворотному напрямку виділяється тепло в гарячому спае і віднімається тепло від холодного. Один і той же спай двох провідників при одному напрямку струму нагрівається, а за іншого охолоджується. Користуючись цим, можна охолоджувати повітря в холодильній шафі, у який поміщений охолоджуваний спай металу. Для цього в термоелемента підтримують температуру нагрівається спаю, близьку до кімнатної, відводячи від нього виділяється теплоту в навколишнє середовище; при цьому інший спай значно охолоджується, а через нього охолоджується і навколишнє повітря.
Застосовуючи для цієї мети напівпровідники, що характеризують достатньо високою величиною к.к.д. термоелемента, можна отримати у холодильній шафі необхідні низькі температури. Наприклад, напівпровідники із сплавів вісмуту, селену, телуру і сурми забезпечують у термоелемента різниця температур близько 60 ° C, а в сконструйованому за допомогою таких напівпровідників холодильній шафі підтримується температура мінус 16 ° C.
Цим самим явищем можна скористатися і для опалення будівель. Пропускаючи електричний струм через термоелектричну ланцюг, крім звичайного нагрівання всього провідника, охолоджують один спай і нагрівають інший, тобто переносять тепло від одного спаю до іншого. Академік А. Ф. Іоффе розрахував, яка кількість тепла буде при цьому виділено. Від охолоджуваного спаю віднімається деяку кількість теплової енергії
Q0 = αT0It,
де α - термоелектрорушійної сила, в;
T0 - абсолютна температура холодного спаю;
I - величина струму, а;
t - тривалість проходження струму, сек.
Відповідно в теплому спае, абсолютну температуру якого позначимо через Т 1, виділяється теплова енергія Q 1:
Q1 = αT1It.
Ця теплова енергія Q 1 більше теплоти Q0, щодо:
Q 1 / Q0 = Т 1 / T0.
Якщо обмежитися розглядом процесу на обох спаях, то їх можна описати таким чином: електричний струм віднімає від холодного спаю теплоту Q0 і передає теплого спаю більшу кількість тепла Q1, додаючи відсутню енергію у вигляді електричної енергії W. До теплоті Q0, віднімає від холодного спаю, додається енергія W, і сума їх Q0 + W = Q1 виділяється на теплому спае.
З наведених даних про величини Q0 і Q1 видно, що ставлення затрачуваної електричної енергії W до теплоти Q1, яка звільняється на теплому спае, так само:
W/Q1 = Q1Q0/Q1 = T1T0 / T.
Якщо абсолютна температура теплого спаю Т 1 = 300 °, що відповідає +27 ° C, а температура Т 0 = 270 ° або -3 ° C, то
W / Q 1 = 30/300 = 0,1,
Звідси випливає, що для передачі в тепле приміщення при температурі 2727 ° C100 кал тепла можна було б використовувати 90 кал, взятих від холодної середовища (наприклад, від зовнішнього повітря) і додати всього 10 кал за рахунок електроенергії.
Оскільки таке вилучення тепла із зовнішнього холодного повітря або водного резервуару легко і доступно, виникає приваблива можливість, витрачаючи всього 10% від внесеного в приміщення тепла за рахунок електроенергії, опалювати приміщення практично за рахунок витягується зовні тепла. Але процес в термоелектричної батареї не обмежується тільки виділенням і поглинанням тепла на спаях. Уздовж гілок самої термобатареї виникає потік тепла від теплого спаю до холодного, який протидіє переносу тепла в зворотному напрямку, який супроводжує проходження струму. Крім того, частина електричної енергії перетворюється в тепло в обох гілках термоелемента. У результаті наявності цих двох процесів використання електроенергії різко знижується; доводиться додавати не 10% електроенергії, а близько 60%; але і такий результат становить значний інтерес: витрата електроенергії складає тільки близько половини теплоти, що надходить в приміщення, а інша половина доставляється понад холодним зовнішнім повітрям або проточною водою при температурах, близьких до нуля.
Чим менше різниця Т 1 - Т 0 в порівнянні з Т 1, тим вигідніше виявиться термоелектрична батарея в порівнянні з електричною піччю опору.
Термоелектрична батарея володіє і іншим важливим перевагою. Якщо змінити напрямок струму на протилежне, то на зовнішніх спаях почне виділятися теплота Q0, а нагрівають приміщення спаї будуть віднімати теплоту Q1, охолоджуючи приміщення. У жарку пору року та ж термобатарея може охолоджувати повітря. Регулюючи величину і напрямок струму в батареї, можна підтримувати в приміщенні однакову температуру за будь-яких температурах зовнішнього повітря.
ВИСНОВОК
Напівпровідники - це порівняно нові матеріали, за допомогою яких протягом останніх десятиліть вдається вирішувати ряд надзвичайно важливих електротехнічних завдань.
Напівпровідникові прилади можна зустріти в звичайному радіоприймачі і в квантовому генераторі - лазері, у крихітній атомної батареї і в мікропроцесорах.
Інженери не можуть обходитися без напівпровідникових випрямлячів, перемикачів і підсилювачів. Заміна лампової апаратури напівпровідникової дозволила в десятки разів зменшити габарити і масу електронних пристроїв, знизити споживану ними потужність і різко збільшити надійність.
В даний час налічується понад двадцяти різних областей, в яких за допомогою напівпровідників вирішуються найважливіші питання експлуатації машин і механізмів, контролю виробничих процесів, отримання електричної енергії, посилення високочастотних коливань і генерування радіохвиль, створення за допомогою електричного струму тепла або холоду, і для здійснення багатьох інших процесів.

Література

1. Д.А.Браун.-Нові матеріали в техніці. -Видавництво ЅВисшая школаЅ, М. - 1965,194 с.
2. А.с. 281651 СРСР МПК Н 5 січня / 00. Напівпровідниковий генератор /
Б. С. Муравський. В. І. Кузнєцов. Заявл. 03.12.68., Опублікую.
21.03.73. Бюл.N7.
3. Кнаб О.Д. БІСПІН - новий тип напівпровідникових приладів / /
Електронна промисловість. 1989. N8
4. Шалімова К.В. "Фізика напівпровідників" Вид. "Енергія" 1976
5. Степаненко І.П. Основи теорії транзисторів і транзисторних
схем. / Москва, Енергія, 1973.
6. Муравський Б.С. Чорний В.М. Яманой І.Л. Потапов О.М. Жужа М.А.
Нерівноважні електронні процеси в транзисторних структурах
з тунельно-прозорим окислом / / Мікроелектроніка. 1989. т.1
7. Муравський Б.С. Кузнєцов В.І. Фрізен Г.І. Чорний В.М. Дослідження-
вання кінетики поверхнево-бар'єрної нестійкості струму. / /
Фізика і техніка напівпровідників. 1972. т.6. N11
8. Стріха В.І. Теоретичні основи контакту метал-полупрово-
днік. / / Київ. "Наукова думка", 1974.
9. А.с. 1438537 СРСР, МКІ Н01L 29/42 Поверхнево-бар'єрний ге-
нератор / Б. С. Муравський, О. М. Потапов, І. Л. Ямані. Заявл.
30.12.86.
10. Бессарабов Б.Ф., Федюк В.Д., Федюк Д.В., Діоди, тиристори,
транзистори і мікросхеми широкого застосування. Довідник. /
Воронеж. ІПФ "Воронеж" 1994.


1 Шалімова К.В. "Фізика напівпровідників" Вид. "Енергія" 1976
2.Браун Д.А. .- Нові матеріали в техніці. -Видавництво ЅВисшая школаЅ, М. - 1965,194 с.
1 Стріха В.І. Теоретичні основи контакту метал-напівпровідник. / / Київ. "Наукова думка", 1974.
1 Шалімова К.В. "Фізика напівпровідників" Вид. "Енергія" 1976
1 Стріха В.І. Теоретичні основи контакту метал-полупрово-днік. / / Київ. "Наукова думка", 1974.
1 Стріха В.І. Теоретичні основи контакту метал-напівпровідник. / / Київ. "Наукова думка", 1974.
1 Кнаб О.Д. БІСПІН - новий тип напівпровідникових приладів / / Електронна промисловість. 1989. N8
1 Шалімова К.В. "Фізика напівпровідників" Вид. "Енергія" 1976
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат | 76,4кб. | скачати

Схожі роботи:
Застосування радіоактивних ізотопів в техніці
Основи пристрою лазера і застосування його у військовій техніці
Матеріалознавство напівпровідників
Фізика напівпровідників
Акустичні властивості напівпровідників
Історія дослідження напівпровідників
Зонна теорія електропровідності напівпровідників
Теорія електропровідності напівпровідників та твердих тіл
Температура в природі і техніці
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru