Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 [ 47 ] 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

ТАБЛИЦА 17.3. Свойства реостатных сплавов

Сплав

Массовая доля элементов*, %

Электрические свойства

мк(§м- м

ар-105, 1/°С

<ра6. °С

МНМц

40-1,5 (констан-

39-41

Осталь-

0,48

тан)

МНМц

3-12 (манганин)

2,5-3,5

11,6-13,5

»

0,43

* По

ГОСТ 492 - 73.

Сплавы с повышенным электрическим сопротивлением используют для прецизионных элементов сопротивления (обмоток потенциометров, шунтов, катушек сопротивления, резисторов, термопар, тензо-метрических датчиков) и нагревательных элементов электрических приборов и печей.

Повышенным сопротивлением обладают металлические сплавы со структурой твердых растворов. Электрическое сопротивление таких сплавов (см. рис. 17.5) выше сопротивления металлов его составляющих. Сплавы высокого сопротивления должны обладать малым температурным коэффициентом электрического сопротивления, а также высокой жаростойкостью, что особенно важно для нагревательных элементов.

При использовании сплавов в электроизмерительных приборах в паре с медью от них требуется малая термоэлектродвижущая сила (ТЭДС). В большинстве случаев сплавы используют в виде лент или проволоки, а поэтому они должны обладать хорошей пластичностью. Все сплавы с повышенным сопротивлением в зависимости от рабочей температуры делят на три группы.

Сплавы, рабочая температура которых не выше 500 °С, используют для изготовления прецизионных элементов сопротивления. К ним относятся медные сплавы, легированные никелем и марганцем. Маркировка, химический

состав и электрические свойства таких сплавов приведены в табл. 17.3.

При легировании никелем медный сплав МНМц 40-1,5 (константан) имеег высокое значение удельного электрического сопротивления при 20 °С, малое значение Мр. Однако из-за высокого значения ТЭДС в паре с медью (рис. 17.5) константан применяется в основном только для изготовления термопар.

Замена никеля в медном сплаве марганцем, сохраняя сопротивление и otp, понижает ТЭДС (см. рис. 17.5). Сплав МНМц 3-12 (манганин) имеет широкое применение для прецизионных элементов сопротивления: резисторов, тепло-датчиков, шунтов и др.

Для получения стабильных значений электрического сопротивления и коэффициента электрического сопротивления проволоку из манганина подвергают рекристаллизационному отжигу в вакууме при 400 °С, а после изготовления элементы сопротивления повторно нагревают (до 250 °С) для устранения остаточных напряжений.

Общим недостатком медных сплавов является их склонность к окислению при нагреве, что изменяет переходное электрическое сопротивление. Поэтому часто используют сплавы на основе серебра, палладия, золота, платины. Серебряный сплав с 10% Мп и 8% Sn имеет р = 0,50 мкОм-м. Значение Мр близко к нулю после 10-часового старения при 175 °С. Такие сплавы испол! зуют при нагреве до 200 °С.

Сплавы, рабочая температура ко-



ТАБЛИЦА 17.4. Свойства сплавов для пагревательпых элементов

Сплав

Массовая доля элемснюв.* %

Элек 1 рпческие CBoiiciBa

мкОм- м

раб- С

Х23Ю5 (хромаль) Х20Н80 (нихром)

* По ГОСТ 109

21,5-24,5 20-23

94-74.

4,6-5,3

Остальное

Не более 1,5

Не более 0,6 Основа

1,37 1,11

1,4 9,0

1200 1100

торых менее 1200 "С, используют также для элементов сопротивления и нагревательных элементов. Это сплавы на основе железа и никеля. Легирование хромом обеспечивает им высокое электрическое сопротивление и жаростойкость (см. п. 14.2). Маркировка, химический состав и свойства таких сплавов приведены в табл. 17.4. Сплавы на основе железа недефицитны. В этом их преимущество по сравнению с нихромами. Однако дополнительное легирование алюминием для повыщения жаростойкости ухудщает пластичность, что затрудняет получение проволоки малого сечения. Сплавы на основе железа используют для реостатов и нагревательных элементов в мощных электронагревательных установках и промышленных печах.

При температурах выше 1200 °С (в вакуумных печах) используют сплавы на основе тугоплавких металлов W, Мо, Та. Для изготовления нагревателей электрических печей (до 1500°С) применяют также керамические материалы.

например, силитовые стержни, которые спекают из карбида кремния. Сидит является полупроводниковым материалом и имеет высокое электрическое сопротивление. Распространены также нагреватели из дисилицида молибдена (MoSij).

17.2. Полупроводниковые материалы

Строение и свойства полупроводниковых материалов. К полупроводниковым относятся материалы, обладающие удельным электрическим сопротивлением в пределах 10 - - 10* Ом-м. К этим материалам относятся 12 элементов (табл. 17.5), представляющие простые полупроводники, а также многие химические соединения элементов различных групп периодической таблицы Д. И. Менделеева (табл. 17.6).

Из простых полупроводников наиболее распространены германий и кремний.

Германий и кремний - элементы IV группы, имеют кристаллическую рещетку алмаза с ковалентным типом межатомной связи. В такой рещетке каждый атом располо-

ТАБЛИЦА 17.5. Ширина запрещенной зоны полупроводниковых элементов

Элемент

Группа

Ширина замрещеинон зоны. 10"- Дж

Элемсн 1

TpyiHia

Ширина запрещен Hoii зоны, 10" Дж

1,76

Мышьяк

Углерод (алмаз)

Сурьма

0,19

Кремний

Сера

Германий

1,15

Селен

Олово

0,13

Теллур

0,58

Фосфор



ТАБЛИЦА 17.6. Ширина запрещенной зоны и структура сложных полупроводниковых фаз

Соединение

Кристаллическая решетка

Тип связи

Ширина запрещенной зоны, 10" Дж

Название

Формула

Карбид кремния

Aivgiv

Гексагональная

Ковалентный

Антимониды Арсеннды

ZnSb GaAs

a"bv

Кубическая

Ионно-ковалент-ный

0,43 2,4

Сульфиды

ZnS CdS

a"bv>

Гексагональная

Ионный

5,9 3,8

Оксиды

ZnO FeO

Кубическая

5,1 2,4

жен в центре правильного тетраэдра и имеет четырех соседей, с которыми он вступает в ковалентную связь (см. рис. 1.12), достраивая свою валентную зону до восьми электронов (рис. 17.9). В результате каждый валентный электрон становится «общим» для двух атомов и валентная зона каждого атома оказывается заполненной.

Появление электрического тока в полупроводнике возможно лишь тогда, когда часть электронов покидает заполненную валентную зону и переходит в зону проводимости, где они становятся носителями электрического тока. Для такого перехода электроны должны пройти зону запрещенных энергий АЕ, для чего необходима определенная энергия, которую полупроводник может получить в виде света или теплоты. При нагреве увеличивается концентрациа носителей электрического тока, а электрическое сопротивление полупроводника уменьшается.

Чем больше ширина запрещенной зоны, тем выше должна быть температура нагрева полупроводника для разрушения ковалентных связей и образования носителей тока. Так, у кремния ширина запрещенной зоны существенно вьште, чем у германия, по-

этому при нагреве кремний сохраняет высокие постоянные значения электрического сопротивления до больших температур. Это позволяет использовать кремниевые приборы для работы при более высоких температурах, чем германиевые.

В кристаллах с ковалентной связью проводимость электрического тока может осуществляться как путем перемещения электронов (электронная-п-проводимость), так и путем перемещения «дырок» (дырочная-р-проводимость). Вследствие большой подвижности электронов в «идеальных» кристаллах химически чистого полупроводника электронная проводимость превалирует. В реальных кристаллах химически чистых германия и кремния может превалировать дырочная проводимость из-за неизбежных дефектов в упаковке атомов (дислокации, вакансии, границы зерен, блоков и т. д.). Проводимость в химически чистом полупроводнике называется собственной проводимостью. Однако получить химически чистые элементы весьма сложно. Вследствие этого полупроводники всегда содержат примесн, которые меняют характер и величину проводимости. Электрическая проводимость, обусловленная


Рис. 17.9. Схема ковалентной связи в кремнии: й -чистом; б - легированном акцепторной примесью; в - легированном донорной примесью



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 [ 47 ] 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61