Никель выпускают различных марок (в зависимости от чистоты) в виде полос, пластин, лент, трубок, стержней и проволоки. К положительным свойствам никеля следует отнести достаточную механическую прочность после отжига (у_р = 400-600 МПа при Дl/l - 35-50%).

Никель легко поддается даже в холодном состоянии механической обработке: ковке, прессовке, прокатке, штамповке, волочению и т.п. Из никеля могут быть изготовлены различные по размерам, сложные по конфигурации изделия с жестко выдержанными допусками. Стойкость никеля к окислению наглядно видна из рисунка 3.3.

Помимо применения в электровакуумной технике никель используют в качестве компонента ряда магнитных и проводниковых сплавов, а также для защитных и декоративных покрытий и т. п.

Кобальт получают металлургическим путем с последующей очисткой или восстановлением окислов кобальта водородом.

В отожженном состоянии кобальт имеет у_р порядка 500 МПа при Дl/l более 50%.

Кобальт мало активен химически. Он находит применение в качестве составной части многих магнитных и жаростойких сплавов, а также сплавов с небольшим температурным коэффициентом длины.

9 Свинец

Свинец - металл сероватого цвета; имеет на свежем срезе сильный металлический блеск, но затем быстро тускнеет вследствие поверхностного окисления. Он обладает крупнокристаллическим строением; если протравить свинец азотной кислотой, его кристаллы становятся видны даже невооруженным глазом.

Свинец представляет собой мягкий, пластичный, малопрочный металл; предел прочности при растяжении у_р всего лишь около 15 МПа при относительном удлинении Дl/l более 55%. Он имеет высокое с. Свинец обладает довольно высокой коррозионной стойкостью, поэтому его в больших количествах применяют для изготовления кабельных оболочек, защищающих кабель от влаги; часто свинец для этой цели заменяют весьма чистым (особо пластичным) алюминием, а также пластмассами. Свинец используют также для изготовления плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов и т. д. Его употребляют и как материал, поглощающий рентгеновские лучи. Рентгеновские установки с напряжением 200 и 300 кВ по нормам безопасности должны иметь свинцовую защиту толщиной соответственно 4 и 9 мм.

Свинец и его соединения ядовиты.

10 Олово

Олово - серебристо-белый металл, обладающий ярко выраженным крупнокристаллическим строением. При изгибе палочки олова слышен треск, вызываемый трением кристаллов друг о друга. Олово является мягким, тягучим металлом, из которого получают путем прокатки тонкую фольгу. Предел прочности при растяжении белого олова колеблется от 16 до 38 МПа.

Кроме обыкновенного (устойчивого при температуре выше 13,2° С) белого олова, кристаллизующегося в тетрагональной системе, существует серое порошкообразное олово (плотность 5,6 Mг/м³). При низких температурах на белом олове появляются серые пятна (выделение серого олова), получившие название «оловянной чумы». При нагреве серое олово снова переходит в белое. Если нагреть олово выше 160° С, то оно переходит в третью (ромбическую) модификацию и становится хрупким.

При нормальной температуре олово на воздухе не окисляется, вода на него не влияет, а разведенные кислоты действуют очень медленно.

Олово используют в качестве защитных покрытий металлов (лужение); оно входит в состав бронз и припоев. Тонкая оловянная фольга (6-8 мкм), применяемая в производстве некоторых типов конденсаторов, обычно содержит присадки: до 15% свинца и до 1% сурьмы для облегчения прокатки и улучшения механической прочности. Оловянно-свинцовую фольгу толщиной 20-40 мкм применяют в качестве обкладок в слюдяных конденсаторах.

11 Цинк и кадмий

Цинк - светлый металл, получаемый металлургическими методами и очищаемый электролитически. Цинк марки ЦВ (высокоочищенный) содержит не менее 99,99% Zn.

Цинк применяют для защитных покрытий, в качестве составной части латуней и как материал для электродов гальванических элементов. Кроме того, его используют в фотоэлементах и для металлизации бумаги в металлобумажных конденсаторах. Нанесение металлического слоя на бумагу производят путем испарения цинка в вакууме при температуре порядка 600°С.

Кадмий - серебристо-белый металл, являющийся постоянным спутником цинка в его рудах и добываемый как побочный продукт при металлургии цинка; подвергается электролитической очистке. Кадмий выпускают нескольких марок в зависимости от чистоты (наиболее высокая степень чистоты - 99,997%).

Кадмий применяют для изготовления фотоэлементов и покрытий СВЧ-волноводов вместо серебра. Он входит в состав ряда припоев и бронз, используется в производстве гальванических элементов, а также в атомных реакторах - в качестве замедлителя.

12 Индий и галлий

Индий - металл с низкой температурой плавления, использующийся в качестве акцепторной примеси и контактного материала в производстве транзисторов и полупроводниковых диодов.

Галлий интересен тем, что он плавится почти при комнатной температуре. Как и индий, его применяют в полупроводниковой технике в качестве легирующей примеси для германия.

Сплавы индия с галлием, имеющие температуру плавления ниже нормальной, используют как жидкие проводниковые материалы для нанесения электродов на различные диэлектрические и полупроводниковые материалы.

13 Ртуть

Ртуть - единственный чистый металл, при нормальной температуре находящийся в жидком состоянии. Получаемую металлургическим путем ртуть подвергают многократной очистке, заканчивающейся вакуумной перегонкой при температуре порядка 200° С. Ртуть легко испаряется даже при комнатной температуре. Пары ртути отличаются более низким потенциалом ионизации по сравнению с обычными и инертными газами, что и обусловливает применение ртути в газоразрядных приборах.

Ртуть и ее соединения весьма ядовиты; очень вредны пары ртути.

Щелочные и щелочноземельные металлы, магний, алюминий, цинк, олово, свинец, кадмий, платина, золото и серебро растворяются в ртути, образуя амальгамы. Слабо растворяются в ртути медь и никель. Приборы, содержащие ртуть, должны иметь металлическую арматуру из вольфрама, железа или тантала, так как эти металлы не растворимы в ртути.

Ртуть применяют в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях, в ртутных лампах и газоразрядных приборах, в лампах дневного света, а также для ртутных контактов в реле и др.

3.3 Особенности металлов в тонкопленочном состоянии

Применяются для изготовления постоянных и отчасти переменных резисторов.

От состава пленки можно разделить:

- материалы на основе металлов и их соединений (оксидов, силицидов, карбидов);

- неметаллические (углеродистые) материалы.

Пленочные на основе металлов и их соединений. Используются в микроэлектронике при изготовлении: резисторов и резистивных элементов. Пленки, содержащие кремний, тантал, хром и нихром обладают повышенным значением удельного поверхностного сопротивления и низким значением температурного коэффициента. Наносят пленки на основание (подложку) из ситалла, стекла или другом диэлектрике, пленки и двуокиси олова. Как наносят - путем термического разложения хлористого олова. Как наносят - путем термического разложения хлористого олова.

Термоэлектронная эмиссия. Вторичная эмиссия. Внутри металла свободные электроны находятся в непрерывном тепловом движении, но из металла они не вылетают, так как есть какие-то силы, препятствующие их вылету из металла.

Металлическая пластина - электрически нейтральная. Если электроны покинут поверхность металла, то металл заряжается положительно, а около границы раздела металл-вакуум, образуется скопление электронов. Между этими электронами и положительными ионами (находящимися внутри металла) образуется электрическое поле. Для последующих электронов, стремящихся покинуть металл, поле будет тормозящим, а для электронов покинувших металл - ускоряющим и будет притягивать их обратно в металл.

Рисунок 3.4 - Разность потенциалов на границе металл-вакуум

Чтобы покинуть металл электрон должен совершить определенную работу по преодолению сил обратного притяжения к металлу. Эта работа носит название работы выхода.

Процесс выхода электрона из металла в окружающую среду получил название электронной эмиссии.

Эмиссия возможна только тогда, когда кинетическая энергия электрона (находящегося в металле) больше или равна работе выхода

где е - заряд электрона, Кл;

ц - разность потенциалов, В

Значение работы выхода у разных металлов разные:

цезий - 1,81 эВ

барий - 2-2,52 эВ

торий - 3,4 эВ

ртуть - 4,4 эВ

вольфрам - 4,52

Виды эмиссии. Чтобы электроны могли выйти из металла, необходимо сообщить им из вне необходимую дополнительную энергию, достаточную для преодоления противодействующих сил. В зависимости от способа сообщения дополнительной энергии различают виды эмиссии:

-термоэлектронную - за счет нагрева катода;

-фотоэлектронную - за счет энергии света;

-электростатическую (автоэлектронную), при которой сильное электрическое поле у поверхности катода создает силы, способствующие выходу электронов из металла;

-вторичную - результат бомбардировки катода потоком первичных электронов и ионов.

Катодом называется тело излучающие электроны.

Особенности термоэлектронной эмиссии. При комнатной температуре число электронов, энергия которых превышает работу выхода, ничтожно мала. Если нагреть катод до определенной температуры, то произойдет эмиссия. Рассмотрим зависимость тока эмиссии от температуры (формула Дэшмана)

,

где S - площадь поверхности катода, излучающего электроны, смІ;

А - постоянная для данного катода;

Т - абсолютная температура катода;

е - (2,72) основание натурального логарифма

e ц - работа выхода, эВ

К - постоянная Больцмана = 8,62 * 10эВ/градус



Рисунок 3.5 - Эмиссия вольфрамового катода

Эмиссия начинается лишь при температуре 2200°, и при дальнейшем увеличении Т° растет очень быстро.

У разных катодов разная работа выхода, а поэтому ток эмиссии начинается при других температурах больших или меньших.

Параметры катодов. Типы катодов. Максимальная плотность тока эмиссии, эффективность, рабочая температура, долговечность.

Эффективность - ток эмиссии на один ватт мощности, затраченной на нагрев катода.

Н = Ie/Pнагрева [мА/Вт]

Чем ниже рабочая Т°, тем меньше мощности необходимо для нагрева катода, поэтому необходимо уменьшать работу выхода.

Долговечность - это время, в течение которого катод может непрерывно работать сохраняя свои важнейшие параметры.

Типы катодов. У вольфрамовых катодов большая работа выхода, высокая рабочая температура, малая эффективность.

Вольфрамобариевые катоды

Вольфрам покрывают пленкой бария, атомы бария диффузируют через поры вольфрама внутрь его.

Работа выхода бария меньше вольфрама, а поэтому электроны бария, проникнув в вольфрам заряжают его поверхность отрицательно, а атомы бария заряжаются положительно. Теперь электрическое поле для электронов вольфрама становится ускоряющим, что уменьшает работу выхода. Такие катоды называют активированными, рабочая Т° резко уменьшается и приблизительно около 710°C, что повышает экономичность, так как повышается эффективность, увеличивается долговечность.

Недостаток: разрушается активизирующий слой под действием ионов, поэтому в требуется высокий вакуум.

Нельзя перекаливать катоды, так как разрушается активизирующий слой.

Оксидный катод (полупроводниковый)

На никель или вольфрам наносится слой смеси оксидов щелочноземельных металлов - бария, кальция, стронция.

Рабочая температура Т°=700-800°С, эффективность до 100 мА/Вт, срок службы до 10-15 тыс. часов, работа выхода составляет до 1,2 эВ.

Эмиссия зависит от действия внешнего электрического поля (эффект Шоттки). Электрическое поле проникает вглубь оксидного слоя и уменьшает работу выхода, что увеличивает термоэмиссию при Т° = const.

Недостаток оксидных катодов: недокал и перекал приводят к перегреву оксида и его разрушению.

Вторичная эмиссия

Она может осуществляться как с нагретых так и с холодных катодов.

Рисунок 3.6 - Получение вторичных электронов

Если создать n1 первичных электронов с первичного катода с помощью термоэмиссии, то за счет ускоряющего электрического поля между катодами (цк2>ц к1), первичные электроны с ускорением будут двигаться в сторону вторичного и его бомбардировать. Так как электроны получают дополнительную энергию, то они выбивают из второго катода вторичные электроны.

Важный показатель - коэффициент вторичной эмиссии у = n2/n1, который показывает сколько электронов выбивает первичный электрон из второго катода. у ? 1-10 раз и более

Этот эффект находит широкое применение в различных электронных приборах.

3.4 Сверхпроводящие проводники. Статический эффект Джозефсона. Применение сверхпроводимости

Сопротивление веществ зависит от состояния кристаллической решетки. При высокой Т° правильность решетки нарушается тепловым движением атомов с понижением Т° эта правильность решетки восстанавливается и способствует уменьшению сопротивления. При очень низких Т° сопротивление достигает остаточного значения, которое почти не зависит от Т° и обусловлено наличием примесей и дефектами кристаллической решетки. При Т° 4,12°К (-268,88) у ртути внезапно исчезает электрическое сопротивление. Это явление назвали сверхпроводимостью.

Сейчас обнаружена сверхпроводимость у более 26 элементов (олово, цинк, свинец…)

Сверхпроводимость обнаружена и в некоторых сплавах, составные части которых сами по себе не обладают такими свойствами. Например, сплавы висмута с натрием, калием. Сейчас сверхпроводимость обнаружена у 500 сплавов и соединений.

Кристаллическая Т° перехода образует почти в два десятка кельвинов: 18К - для химического соединения Nb3Sn и 0,14 - для иридия, 23,2К -германид ниобия.

Пленки сверхпроводящих материалов обладают особыми свойствами, у них критическая температура превышает Т° объемных материалов.

Основная задача увеличить Т°кр, хотя бы до 77,4К, что позволит применять для охлаждения сжиженный азот (77,4К), а это удешевить и упростить устройства.

Применение

На основе пленочных материалов созданы запоминающие устройства, накопителей энергии, волноводов с малым затуханием, малогабаритные электрические машины, трансформаторы с высоким КПД.

Созданы сверхпроводящие соленоиды, создающие магнитные поля 8*10А/м.

Возможно создать линии электропередач без потерь на нагрев.

Электромагнит (постоянный) - электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого подвода энергии извне (расходы на охлаждение надо учесть).

Это идеальные диамагнетики, т.е. их магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело, а если переход в сверхпроводящее состояние произошел в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника.

Физическая природа сверхпроводимости была понята в 1957 на основе теории (Ландау) сверхтекучести гелия.

Сверхпроводимость это макроскопический эффект. Между электронами металла помимо кулоновского отталкивания, в достаточной степени ослаблено экранирующим действием положительных ионов решетки, в результате электрон-фотонного взаимодействия (взаимодействия электронов с колебаниями решетки) возникает слабое взаимное притяжение и при определенных условиях может преобладать над отталкиванием. В результате электроны проводимости, притягиваясь, образуют своеобразное связанное состояние, называемое куперовской парой. «Размеры» пары много больше (примерно на четыре порядка) среднего межатомного расстояния, т.е. между электронами, «связанными» в пару, находится много «обычных» электронов.

Чтобы разрушить эту пару (оторвать одни из ее электронов) надо затратить энергию, которая пойдет на преодоление сил притяжения электронной пары. Такая энергия может быть в принципе получена в результате взаимодействия с фотонами. Однако пары сопротивляются своему разрушению. Это объясняется тем, что существует не одна пара, а целый ансамбль взаимодействующих друг с другом куперовских пар.

Электроны, входящие в куперовскую пару, имеют противоположные спины., поэтому спин такой пары равен нулю и она представляет собой Бозон.

К бозонам принцип Паули неприменим, и число бозе-частиц, находящихся в одном состоянии, не ограничено.

Поэтому при сверхнизких Т° бозоны скапливаются в основном состоянии, из которого их довольно трудно перевести в возбужденное.

Система бозе-частиц кулоновских пар, обладая устойчивостью относительно возможности отрыва электрона, может действием внешнего электрического поля двигаться без сопротивления со стороны проводника, что и приводит к сверхпроводимости.

Сверхпроводящие кабели. Сигналы электросвязи, распределяющиеся по кабелям связи, сильно ослабляются по амплитуде (затухают), за счет потери энергии в токоведущих проводах и диэлектрике.

Для уменьшения потерь были созданы сверхпроводящие кабели за счет явления сверхпроводимости. При температуре -273°С (если охладить кабель), то его сопротивление будет ничтожно мало, а значит будет минимум потерь. Используют материалы (алюминий, олово, ниобий, свинец, тантал). У меди - сверхпроводимости не наблюдается.

На низких частотах сопротивление мало, но с повышением частоты (до 1 ГГц) сопротивление сверхпроводников возрастает.

По конструкции сверхпроводящие кабели выполняют коаксиальными. Внутренний проводник делают из ниобия, внешний из свинца, а изоляция - из фторопласта. Кабель помещают в трубопровод из нержавеющей стали с теплоизолирующим покрытием. По трубопроводу прокачивают хладагент - жидкий и газообразный азот, водород или гелий, создающий нужную низкую температуру. Для обеспечения прокачки хладагента и низкой температуры через каждые 10 - 20 км сверхпроводящего кабеля устанавливаются криогенные станции. Создаются комбинированные кабели для передачи электропередачи и электросвязи.

Достоинства сверхпроводящих кабелей:

- через кабель не проникают электромагнитные поля, что очень важно с точки зрения защиты линии от внешних помех;

- затухание меньше в 10³ раз по сравнению с обычным кабелем на частоте 1 кГц и в 10⁶ раз при 1 МГц и в 10⁴ раз при 1 ГГц, что позволяет организовать связь на большие расстояния без промежуточного усиления.

Недостатки:

- через 10 -20 км необходимо размещать криогенные станции, стоимость их высокая.

Эффект Джозефсона (англичанин,1963). Предсказал эффект протекания сверхпроводящего тока сквозь тонкий слой диэлектрика (пленка оксида металла толщиной ?1нм) разделяющий два сверхпроводника (контакт Джозефсона). Если ток через этот контакт не превышает некоторое критическое значение, то падения напряжения на нем нет (стационарный эффект), если превышает - возникает падение напряжения и контакт излучает электромагнитные волны (нестационарный эффект). Частота излучения связанна с U на контакте ц = 2еU/h.

Возникновение излучения объясняется тем, что куперовские пары, проходя сквозь контакт, приобретают относительно основного состояния сверхпроводника избыточную энергию.

Возвращаясь в основное состояние, они излучают квант электромагнитной энергии hц=2eU.

Эффект используется для точного измерения очень слабых магнитных полей (до 10Тл), токов (до 10А) и напряжений (до 10В), а также для создания быстродействующих элементов логических устройств ЭВМ и усилителей.

3.5 Контактная разность потенциалов, термо-эдс, эффекты

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной.

Это обнаружил Вольт (итальянец). Например, если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Pt, Pd привести в контакт в указанный последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из последующих заряжается положительно. Это ряд Вольта. Uконт ? от десятых долей до целых вольт.

Два закона:

1) Uконт зависит от химического состава и температуры соприкасающихся металлов

2) Uконт последовательно соединенных различных проводников, находящихся под одинаковой Т°, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна Uконт, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Механизм возникновения

Соединяют два металла с разной работой выхода А1 и А2, причем А2>А1 (т.е. с различными положениями уровня Ферми, верхнего заполненного электронами энергетического уровня)



Рисунок 3.7 - Образование контактной разности потенциалов

При контакте металлов электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить на более низкие уровни металла 2, поэтому металл 1 заряжается положительно, а металл 2 - отрицательно. Одновременно происходит смещение энергетических уровней: в металле 1 все уровни смещены вниз, а в металле 2 - вверх. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока между соприкасающимися металлами не установится равновесие, т.е. произойдет совпадение уровней Ферми (рисунок 3.7 в), но работы выхода не изменятся, а вот потенциальная энергия изменится в точках ВГ (рисунок 3.7 г), т.е. возникает разность потенциалов равная ?ц'=(А2-А1)/е, которую называют внешней.

Если уровни Ферми неодинаковые, то между внутренними точками металла возникает внутренняя разность потенциалов ?ц''=(ЕF1-EF2)/e, это объясняется различной концентрацией электронов в металлах. ?ц'' зависит от Т° контактов металлов. Как правило ?ц'>>?ц''. ?ц'' - образуется в контактном слое, толщиной ? м.

Эффект Зеебека (1821, немец). Согласно второму закону Вольта, в замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов, с разной Т° в месте контакта, то в цепи возникает электрический ток, называемый термоэлектрическим. Это явление наблюдал Зеебек.

Он создал электрические цепи из металлов Сu-Bi (медь-висмут), Ag-Cu, Au-Cu, при этом контакты имели разную температуру, контакт А имел Т1, контакт В имел Т2, где Т1>T2. Между контактами возникла термоэлектродвижущая сила и стал протекать ток от точки А.

Рисунок 3.8 - Возникновение термо-эдс

Для пары металлов медь-константан, при Т=100К эдс?4,25 мВ.

Для поддержания постоянного тока необходимо постоянство температур контактов: к более нагретому непрерывно подводить тепло, а от холодного - отводить. Это явление используется в измерении температур (термопарах).

Чувствительность их повышается если термопары соединяются последовательно.

Тепловые преобразователи делятся:

- термоэлектрические (термопары);

- терморезисторы (термометры сопротивления);

- термомеханические;

- монометрические.

Термопара - это разновидность термоэлектрических преобразователей генераторного типа.

Принцип действия основан на возникновении термо-эдс на концах двух разнородных материалов, находящихся в разных температурных режимах.

Конструктивно состоит из двух разнородных, специально подобранных проводников, одни концы которых сварены между собой, а другие подсоединены к прибору.

Рабочий (горячий) слой помещают в защитный кожух и устанавливают в месте контроля температуры.

Если Т° свободных холодных слоев термопары отличается от Т° горячего слоя, то вследствие термоэлектрического эффекта на электродах возникает термо-эдс, пропорциональная разности температур.

Термопара ТПП - обладает высокой точностью и стабильностью. Изготавливается из проволоки диаметром 0,3 - 0,5 мм (чистая платина и сплав платины 90% и родия 10%). Работает если T⁰_накала = 100°С, а свободного 0°С, тогда термо-эдс ? 0,64 ± 0,03 В.

Для измерения низких температур в диапазоне от 200 до 350°С делают хромедь-алюминевую пару (ТХА), эдс?40 мкВ/°С

Эффект Пельтье (1834, француз). Он обнаружил, что при прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока в зависимости от его направления помимо джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота, т.е. это эффект обратный эффекту Зеебека.

В отличие от джоулевой теплоты, которая пропорциональна квадрату тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени тока и меняет знак при изменении направления тока.

Рисунок 3.9 - Электрическая цепь из двух разнородных материалов

Если создать электрическую цепь из двух разнородных материалов, через которое пропустить ток I (его направление выбрано согласно термотока на рисунке 3.9) при условии Т1>T2, то слой А, который имел большую температуру при эффекте Зеебека, будет охлаждаться, а слой В - нагреваться. При изменении направления I' слой А будет нагреваться, а слой В - охлаждаться.

Так как электроны по разную сторону слоя обладают разной средней энергией (полной кинетической плюс потенциальной). Если электроны пройдут через слой В и попадут в область с меньшей энергией, то избыток своей энергии они отдадут кристаллической решетке и слой будет нагреваться. В слое А электроны переходят в область с большей энергией, забирая теперь недостающую энергию у кристаллической решетки, и слой будет охлаждаться. Это явление используется в термоэлектрических холодильниках (созданы в 1954 Иоффе), в электронных приборах.

Эффект Томсона (1856, Кельвин). Исследуя термоэлектрические эффекты, пришел к заключению, что при прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику должно происходить дополнительное выделение (поглощение) теплоты аналогичной теплоте Пельтье.

Т.е. он подтвердил теорию Томсона и дал практическое объяснение - так как в более нагретой части проводника электроны имеют большую среднюю энергию, чем в менее нагретой, то, двигаясь в направлении убывания Т°, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона.

Контрольные вопросы к теме 3

1 Пояснить зависимость сопротивления металлов от температуры.

2 Дать понятие сверхпроводимости металла и пояснить от чего и как они зависят?

3 Указать виды электронной эмиссии и особенности термоэлектронной эмиссии.

4 Сущность эффекта Джозефсона.

5 Пояснить сущность эффекта Зеебека, Пельтье.

ТЕМА 4. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ

4.1 Магнитная структура доменов в кристаллах. Процесс намагничивания. Магнитный гистерезис, магнитная анизотропия

Физические процессы в магнитных материалах. Все вещества в природе являются магнитными, т. е. они взаимодействуют с внешним магнитным полем и обладают определенными магнитными свойствами, которые обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов. Если это движение круговое, возникает элементарный круговой ток и соответствующий ему магнитный момент, направление которого определяется правилом буравчика. В каждом веществе такими элементарными круговыми токами являются орбитальное вращение электронов вокруг атомов и вращение электронов вокруг собственных осей (спиновое вращение), что приводит к появлению орбитального и спинового магнитных моментов электрона. Магнитный момент электронной оболочки и определяет магнитные свойства атома, поскольку он приблизительно в тысячу раз больше магнитного момента атомного ядра. Различный характер электронной структуры атомов приводит к различию магнитных свойств веществ.

По силе взаимодействия с магнитным полем все вещества можно разделить на слабомагнитные и сильномагнитные. Сила взаимодействия вещества с магнитными полем оценивается безразмерной величиной: магнитной восприимчивостью k_M:

k_М=M/H, (4.1)

где М - намагниченность вещества под действием магнитного поля, А*м-¹;

Н - напряженность этого поля, А*м^-1.

Слабомагнитные вещества характеризуются величиной k_М << 1, т. е. изменение намагниченности вещества под действием внешнего поля очень незначительно. К ним относят диамагнетики и парамагнетики.

Парамагнетики отличаются тем, что при помещении этих веществ в магнитное поле они усиливают его внутри себя (k_M>0). Это происходит из-за совпадения направления намагниченности парамагнетиков с направлением внешнего поля. К парамагнетикам относят алюминий, платину и др.

Диамагнетики характеризуются тем, что ослабляют внутри себя то магнитное поле, которое действует извне. Это происходит вследствие того, что их намагниченность направлена против внешнего поля (k_M<0). К этим веществам относят большинство органических соединений и ряд металлов: медь, серебро, золото, свинец и др.

Наибольший интерес с точки зрения технического применения представляют сильномагнитные вещества (k_M >> 1), к которым относят ферромагнетики и ферримагнетики.

Ферромагнетики характеризуются, во-первых, способностью сильно намагничиваться даже в слабых полях (k_M=10³-10⁵). Вторая их особенность состоит в том, что выше определенной температуры, называемой температурой Кюри Т_к, ферромагнитное состояние вещества переходит в парамагнитное, т. е. магнитная восприимчивость снижается на три-четыре порядка. К ферромагнетикам относят железо, никель, кобальт и их сплавы, сплавы хрома и марганца и др.

Ферримагнетики - это вещества, получившие название от сложных оксидных материалов - ферритов. Они имеют свойства, во многом подобные свойствам ферромагнетиков, но значительно уступают им по величине предельной намагниченности. Под ферритами понимают соединения оксида железа Fe₂O₃ с оксидом металла МеО типа MeO-Fe2O₃. Магнитные свойства ферримагнетиков тесно связаны с взаимным расположением в кристаллической решетке ионов железа и металла.

По данным современной теории в ферромагнитном веществе в отсутствие внешнего магнитного поля существуют самопроизвольно намагниченные области, называемые магнитными доменами. В доменах магнитные моменты электронов ориентированы параллельно друг другу. В зависимости от кристаллической структуры вещества домены имеют различную форму. Линейные размеры доменов составляют от тысячных до десятых долей миллиметра. Направления намагниченности отдельных доменов располагаются неупорядоченно, из-за чего общая намагниченность материала равна нулю (рисунок 4.1).

а - при отсутствии поля; б - в слабом поле; в - в сильном поле; г - при насыщении

Рисунок 4.1 - Схема ориентирования векторов намагниченности в доменах ферромагнетика

Рисунок 4.2 - Направления легкого и трудного намагничивания в монокристаллах железа(а), никеля(б), кобальта(в)

Ферро- и ферримагнетики являются кристаллическими веществами. Намагничивание отдельных кристаллов (монокристаллов) ферромагнитных веществ имеет свои особенности: в кристаллах различают направления наилучшего (легкого) и наихудшего (трудного) намагничивания (магнитная анизотропия). На рисунке 4.2 показаны направления легкого и трудного намагничивания трех основных ферромагнитных элементов: железа, никеля и кобальта. Железо и его сплавы Fe-Ni, Fe-Si кристаллизуются в кубической структуре и осями легкого намагничивания у них являются ребра куба, а самого трудного - пространственные диагонали. Для никеля, имеющего также кубическую структуру, распределение осей намагничивания противоположное. Направления легкого и трудного намагничивания кристалла кобальта, имеющего гексагональную структуру, показаны на рисунке 4.2, в.

В отдельных случаях и в поликристаллических материалах особыми технологическими приемами создается преимущественная ориентация отдельных кристаллов материала в заданном направлении. В этом случае говорят, что поликристаллический материал обладает магнитной текстурой (рисунок 4.3). Это выражается в получении повышенных магнитных характеристик материала в одном направлении. Возможность достижения заданной магнитной текстуры имеет большое значение и широко используется на практике.

Процесс намагничивания материала сопровождается изменением его доменной структуры. В размагниченном образце направления намагниченности доменов совпадают с осями легкого намагничивания кристалла и распределены одинаково во всех направлениях. При появлении внешнего магнитного поля самым, выгодным направлением намагниченности домена будет та ось легкого намагничивания, которая составляет наименьший угол с направлением внешнего поля, поскольку:

W_Н = -HMcosи (4.2)

где W_H - энергия взаимодействия вектора намагниченности домена М с внешним полем величины Н, выраженная в Дж;

и - угол между направлениями внешнего поля и вектора намагниченности.

Рисунок 4.3 - Схема расположения кристаллов относительно направления прокатки для материалов с кубической текстурой

Рисунок 4.4 - Основная кривая намагничивания и кривая магнитной проницаемости ферромагнитного материала в области очень слабых полей(1), слабых полей(2), средних полей(3) и сильных полей(4).

Вид доменной структуры в точках а, б, в, г показан на рисунке 4.1.

Процесс намагничивания материала зависит от величины приложенного поля. В слабых полях происходит процесс роста объема тех магнитных доменов, намагниченность которых наиболее выгодно ориентирована по отношению к действующему полю. В первую очередь это будут домены, для которых значения угла и минимальны. Этот процесс развивается за счет уменьшения объема тех доменов, для которых значения угла и максимальны, например за счет доменов с противоположным полю направлением намагниченности. Если напряженность поля уменьшить до начального значения, то исходное распределение объемов доменов восстанавливается. Таким образом, на этой стадии процесс намагничивания обратим и его называют обратимым процессом смещения границ доменов. На рисунке 4.4 это соответствует первому участку кривой намагничивания, т. е. кривой, показывающей зависимость намагниченности, или индукции материала от величины внешнего поля Н. Внутренняя магнитная индукция материала В_i, измеряемая в Тл, связана с его намагниченностью формулой:

В_i = м₀M (4.3)

где м₀ - магнитная постоянная, равная 4р10^-7 Гн/м.

При усилении поля картина намагничивания изменяется: векторы намагниченности всех доменов постепенно, по мере усиления поля, поворачиваются в направлении поля в энергетически более выгодное положение (рисунок 4.1). В этом процессе участвует преобладающая часть доменов, поэтому намагниченность образца изменяется значительнее и второй участок кривой намагничивания идет более круто по сравнению с первым (рисунок 4.4), При возвращении к начальному значению поля доменная структура уже не возвращается к исходному состоянию, и образец сохраняет какую-то намагниченность в направлении поля. Второй этап намагничивания происходит необратимо, и его называют необратимым процессом смещения границ доменов.

При дальнейшем росте напряженности поля (третий участок кривой на рисунке 4.4) происходит полный поворот векторов намагниченности доменов в направлении поля, называемый процессом вращения. Этот процесс заканчивается состоянием технического насыщения намагниченности материала, когда все векторы намагниченности доменов ориентированы вдоль направления поля.

В реальных магнитных материалах различные виды процессов намагничивания перекрывают друг друга. На процесс намагничивания оказывают влияние такие явления, как магнитострикция, механические напряжения, наличие немагнитных включений, неоднородностей и ряд других факторов.

Магнитострикцией называют явление изменения линейных размеров магнитного материала при его намагничивании. Количественной характеристикой величины магнитострикции материала является, например, константа л_S называемая магнитострикционной деформацией насыщения:

(4.4)

где Дl_S - изменение длины образца l₀ в направлении поля при увеличении его напряженности от нуля до величины H_S, вызывающей техническое насыщение.

Это явление характерно для всех магнитных материалов. Константа л_S может быть положительной и отрицательной. В случае ее нулевого значения на магнитные свойства не оказывают влияния внутренние механические напряжения в материале и внешние механические усилия, вызываемые сдавливающим действием обмоток, стяжкой сердечников крепежом и т. д.

Магнитострикционные фильтры. Материалы, никель, феррит и др. обладают свойствами изменять свою длину при изменении магнитного поля, в которых они находятся. Этот эффект назвали магнитострикционным. На базе этого эффекта делают фильтры, состоящих из жестко закрепленного никелевого или ферритового стержня длиной в несколько сантиметров. На стержне находятся катушка с индуктивностью несколько десятков мкГн и постоянный магнит. При протекании по катушки переменного тока магнитное поле изменяется, что приводит к изменению длины стержней и их резонансных частот. У таких фильтров высокая добротность порядка 2000-4000, их еще называют резонаторами.

Петля гистерезиса. При циклическом намагничивании кривая намагничивания образуют петлю гистерезиса, так как при размагничивании обнаруживается остаточный магнетизм, так как не все домены под влиянием температура теряют направленную ориентацию, обусловленную внешним полем.



Рисунок 4.5 - Петля гистерезиса

Остаточный магнетизм наблюдается, если образец поместить в неземное электрическое поле. При возрастании Н магнитной изменяется кривая ОА. При уменьшении Н магнитный поток будет изменяться по кривой АВ. Изменение магнитного потока отстает от изменений намагничивающего поля. Такое отставание называется магнитным гистерезисом. Это явление обусловлено инерцией изменений ориентации магнитных полей доменов материала.

При уменьшении Н до нуля в материале сохраняется некоторая остаточная магнитная индукция Во (отрезок ОВ). Чтобы полностью размагнитить материал необходимо создать внешнее магнитное поле обратного направления. Тогда при некотором значении Нс (отрезок ОГ), индукция в образца равна нулю - образец размагничен. Величину Нс называют задерживающей или коэрцитивной силой. Если продолжить намагничивать образец, то можно довести его до насыщения (точка Д), а при уменьшении Н вновь наблюдается гистерезис, и при Н=0 возникает отрицательная остаточная индукция (отрезок ОЕ), и для ее устранения необходимо создать Нс (отрезок ОЖ). Таким образом перемагничивание происходит по кривой АБГДЕЖА. Площадь и форма этой кривой различна для разных материалов. Магнитомягкие материалы перемагничиваются относительно в слабых полях Н до сотен А/м и характеризуются высокими значениями относительной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой.

Магнитотвердые материалы перемагничиваются в сильных магнитных полях Н=кА/м и высокой остаточной магнитной индукцией.

Магнитодиэлектрики (ферромагнитные) характеризуются постоянством относительной магнитной проницаемостью и малыми потерями на перемагничивание. Их применяют на высоких частотах для изготовления магнитопроводов, сердечников катушек индуктивностей.

4.2 Зависимость параметров от температуры. Свойства магнитных материалов в СВЧ полях

Ферромагнитные свойства ряда веществ теряют при нагревании, µ?1. Эта температура, характерная для каждого ферромагнитного вещества носит название точка Кюри (имя фран. Пьер Кюри). Например: железо (707єС), никель - 360єС, кобальт - 1130єС. У некоторых при 100єС.

На СВЧ применяют материалы, имеющие малую электрическую проводимость - ферриты и магнитодиэлектрики.

Ферриты получают химическим соединением Fe2O3 с оксидами металлов, а также другими способами. Для радиочастот применяют никель - цинковые и марганец-цинковые. Для них важные параметры:

-тангенс угла потерь tg д;

-критическая частота fкр (резко возрастают потери);

-относительный температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости бм0:

-обратная магнитная проницаемость мобр (т.е. предел отношения изменения магнитной индукции к удвоенной амплитуде напряженности магнитного поля в данной точке кривой намагничивания, деленной на магнитную постоянную) при заданных условиях.

Магнитодиэлектрики

Представляют собой конгломерат из измельченного ферромагнетика, частицы которого разделены между собой в электрическом отношении изолирующими пленками из немагнитного материала, являющегося одновременно механической связкой.

Обладают более высокими удельным электрическим сопротивлением, более высокочастотны и более высокую стабильность свойств, проще технология.

Материалы: карбоксильное железо. Широко используется в волноводах для изменения структуры поля и скорости распространения волн - помещают внутрь волновода магнитодиэлектрик.

Эффект Холла (1879)

Возникновение в металле с током с определенной плотностью помещенном в магнитное поле, электрического поля в направлении, перпендикулярном магнитной проницаемости (В).

Рисунок 4.6 - Пояснение эффекта

Если поместить металлическую пластинку с током в магнитное поле В, перпендикулярно току, то электроны будут испытывать силу Лоренца, которая направлена вверх, поэтому у верхнего края пластины возникает повышенная концентрация электронов (верхняя часть заряжается отрицательно, а у нижнего - недостаток (заряжается положительно), возникает поперечное электрическое поле, направленно снизу вверх. Когда значение Епопер достигнет и будет уравновешивать силу Лоренца, то установится стационарное распределение зарядов в поперечном направлении, тогда

?ц = VBa = R (IB/d) = IB/en d

где а - ширина пластины;

?ц - разность потенциалов;

d - толщина пластины;

R - постоянная Холла, зависящая от частицы = 1/en

Применение:

-определить концентрацию носителей тока в проводнике;

-судить о природе проводимости полупроводников;

-для изучения электрического спектра носителей тока в металлах и полупроводниках;

-для умножения постоянных токов в аналоговых вычислительных машинах измерительной техники.

Свойства магнитных материалов в СВЧ полях. Они используются для работы в диапазоне частот от сотен до десятков тысяч МГц для передачи электромагнитной энергии такой частоты применяют волноводы - это полые металлические конструкции. Структуру поля и скорость распространения волн можно изменять, помещая внутрь волновода феррит. Ферриты используются в различных устройствах одновременном воздействии на них переменного магнитного поля Н СВЧ диапазона и постоянного магнитного поля Но. В этих условиях магнитная проницаемость µ является тензорной величиной. А это означает, что при совпадении частот возникает гиромагнитный резонанс, который используется при изготовлении различных СВЧ устройств.

Например, если используют ферритовый элемент, помещенный внутрь волновода, называют вкладышем. От его размера и конфигурации определяется назначение устройств СВЧ (вентиль, фазовращатель, циркулятор) и условия его работы (диапазон частот и температур, уровень мощности). Вкладыш помогает осуществить согласование сопротивлений волновода с нагрузкой.

Для каждого диапазона волн определяют определенную группу ферритов. Для длинноволновой части СВЧ-диапазона применяют магниевые и никелевые феррохромиты. В низкочастотной части диапазона СВЧ-иттриевые ферраты - гранаты.

Контрольные вопросы к теме 4

1 Указать как разделяются вещества по силе взаимодействия с магнитным полем.

2 Пояснить понятие коэрцитивной силы и что зависит от значения этой силы?

3 Сущность эффекта Холла и его применение.

ТЕМА 5. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛАХ

5.1 Зонная модель полупроводников (ПП). Вырожденные и невырожденные ПП. Уровень Ферми в ПП. Зависимость уровня Ферми от температуры, степени концентрации примеси

Для создания современных полупроводниковых приборов в качестве исходного материала применяют: германий, кремний, селен, теллур, соединения АВ (элементы третьей и пятой группы таблице Менделеева). Тройные соединения АВС.

Для ПП характерно кристаллическое строение, т.е. закономерное и упорядоченное расположение их атомов в пространстве (ранее было сказано и показано), между атомами есть связи. Они образованы валентными электронами, которые взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и с соседними ядрами. Связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами по одному от каждого атома. Такая связь называется двух электронной или ковалентной. При этом электроны связи принадлежат уже не одному, а сразу обоим, связанных между собой атомами.

В результате на внешней орбите каждого из атомов находится по восемь электронов. Такую решетку имеют чистые ПП при (-273 градусов С).

Электроны в атоме обладают определенными значениями энергии, составляющими совокупность дискретных уровней энергии атома. При образовании твердого тела за счет взаимодействия атомов энергетические уровни расширяются и образуют энергетические зоны, состоящие из отдельных близко расположенных по энергии уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в теле. Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называют разрешенной зоной. Эта зона характеризуется тем, что она заполнена валентными электронами при Т = 0 К, эту зону часто называют валентной зоной.

Выше валентной зоны расположена запрещенная зона, она характеризуется тем, что в ее пределах нет электрических уровней, на которых могли бы находится электроны данного кристалла. Зона характеризуется шириной ДW = до3 ЭВ.

Выше запрещенной зоны находится разрешенная зона, которую называют зона проводимости. В этой зоне могут появляться электроны, которые оторвутся от своих атомов. Эти электроны способны перемещаться по кристаллической решетки, электроны в этой зоне называют свободными или электронами проводимости. Чтобы оторвать электрон от атома ему необходимо сообщить дополнительную энергию, равную ширине запрещенной зоны. Значение ДWз зависит от структуры решетки, т.е. от материала. Например, у кремния ДWз=1,12 эВ, у арсенида галлия-1.41 эВ.

W_С - дно зоны проводимости; W_V - потолок валентной зоны

Рисунок 5.1 - Энергетическая диаграмма собственного полупроводника

Дополнительную энергию можно сообщить валентному электрону за счет тепла, ионизирующего излучения, освещения, сильного электрического поля, кинетической энергии движущихся частиц.

Собственный полупроводник. Полупроводник, имеющий в узлах решетки только свои атомы, называют собственным (без примеси). Получив дополнительную энергию, валентный электрон переходит в зону проводимости и становится свободным - обозначим его n_i.

Уход электрона из валентной зоны приводит к образованию в ней незаполненных энергетических уровней, которые назвали дырками (р_i). Валентные электроны, если создать электрическое поле, могут перемещаться на свободные уровни, создавая дырки в другом месте. Такое перемещение можно рассматривать как движение положительно заряженных фиктивных зарядов - дырок.

Процесс образования пары электрон-дырка называют генерацией пар, т.е n_i=р_i образовавшиеся в результате разрыва ковалентных связей электроны и дырки совершают хаотическое движение в объеме ПП до тех пор, пока электрон не будет “захвачен” дыркой, а энергетический уровень дырки не будет” закрыт” электроном из зоны проводимости. При этом разорванные ковалентные связи восстанавливаются, а электрон и дырка исчезают. Этот процесс называется - рекомбинацией.

Концентрация зарядов в ПП. Вероятность Fn (W) нахождения свободного электрона в энергетическом состоянии W определяется функцией Ферми- Дирака:

,

где Wf - уровень энергии, которую электрон может занимать с вероятностью Ѕ, назвали уровень Ферми, в собственном ПП он находится примерно посередине запрещенной зоны при любых температурах.

Wf=(Wc+Wv)/2,

КТ - средняя энергия теплового движения микрочастиц при температуре по Кельвину, где Дж/К - постоянная Больцмана.

Если разность W-Wf или Wf-W более чем в 3 раза превышает значение КТ, то единицей в знаменателе пренебрегают, тогда функция Ферми запишется:

Fn=e *(Wf-W)/КТ; Fp(W)= e *(W-Wf)/КТ

Используя указание формулы можно определить количество дырок и электронов в собственном ПП:

,

,

,

,

где Nc - эффективная плотность состояния в зоне проводимости равная для германия 5*10¹⁹см^-3, для кремния 2*10²⁰см^-3.

Nv - эффективная плотность дырок в валентной зоне;

m_n = m_p = m_o - эффективная масса электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне;

h - постоянная Планка, 6,62*10^-34Дж/с.

В идеальном кристалле p_i=n_i и при Т=293 градусов Кельвина в германии равно 2,5*10^-13см³, так как в одном см³ содержится 4,4*10²² атомов, то один свободный электрон приходится на миллиард атомов вещества.

Среднее время жизни численно определяется как время, в течение которого концентрация носителей уменьшается в е раз (2,72). Если в ПП создать эл. поле напряженностью Е, то хаотическое движение носителей станет упорядоченным. Дырки и электроны начнут двигаться во взаимно противоположных направлениях. Возникнут два встречно направленных потока, создающих токи, плотностью:

I пр=en_nE,

Iр=еp_рЕ,

где е - заряд электрона;

n, p - число электронов и дырок в единице объема вещества;

_n, _р - подвижность носителей.

Подвижность есть величина, характеризуемая средней направленной скоростью в эл. поле с Е в/см и равна м.

Так как n_i и p_i движутся в противоположных направлениях, то результирующая плотность тока:

Iпр=Inдр+Iр др=(еn_n+eр_р)E

Движение носителей за счет сил эл. поля называется дрейфовым током. Движение за счет градиента концентрации называется током диффузии.

В кремнии n_i = 1,4*10¹¹см^-3. Полученные значения в собственном ПП устанавливаются как результат динамического равновесия двух непрерывно идущих процессов - генерации и рекомбинации.

Промежуток времени, прошедший с момента генерации частицы, до ее рекомбинации называют временем жизни, а расстояние, пройденное частицей за время жизни - диффузионной длиной. Так как время жизни каждого из носителей различно, для однозначной характеристики ПП под временем жизни чаще всего понимают среднее время жизни, а под диффузионной длиной - среднее расстояние, которое проходит носитель за время жизни.

Диффузионная длина и время жизни n_i и p_i связаны соотношением:

;

,

где Ln, Lp-диффузионная длина;

_n, _p время жизни;

Dn, Dp - коэффициент диффузии.

Удельная проводимость ПП:

=1/=I/E=en_n=ep_р

где р - удельное сопротивление ПП.

Собственная проводимость при Т=300К ничтожно мала, так как малая концентрация носителей и постоянная при заданной температуре .

Чтобы увеличить электропроводность ПП при заданной температуре надо ввести примесь.

Проводимость, вызванная наличием в кристалле ПП примесей атомов с иной валентностью, называется примесной. Примеси, вызывающие в ПП увеличение свободных электронов называют донорами (это в основном элементы As, Sb, P), а вызывающее увеличение дырок - акцепторами (Al, In, B).