Реферат: Полупроводниковые материалы в металлургии

Национальная Металлургическая Академия Украины

Технологический факультет

Реферат

на тему:

˝Полупроводниковые материалы˝

       Подготовила                  ст.гр.МТ-97-2              Черных Е.С.

       Проверила                      профессор                    Губенко С.И.

г.Днепропетровск

2001г.

Содержание:

1.Общиесведения                                                                   3

2.Металлургиягермания и кремния                                     7

3.Применениеполупроводников

  3.1.Тепловые сопротивления (термисторы)                      9

  3.2.Фотосопротивления                                                     11

  3.3.Термоэлементы                                                             12

  3.4.Холодильники и нагреватели                                      12

Литература                                                                             15

1.Общие сведения

Полупроводникаминазывают вещества, обладающие электронной проводимостью, занимающейпромежуточное положение между металлами и изоляторами.

Отметаллов они отличаются тем, что носители электрического тока в них создаютсятепловым движением, светом, потоком электронов и т.п. источником энергии. Безтеплового движения (вблизи абсолютного нуля) полупроводники являютсяизоляторами. С повышением температуры электропроводность полупроводников возрастаети при расплавлении носит металлический характер.

 Полупроводники– это новые материалы, с помощью которых на протяжении последних десятилетийудаётся разрешать ряд чрезвычайно важных электротехнических задач. В настоящеевремя насчитывается свыше двадцати различных областей, в которых с помощьюполупроводников разрешаются важнейшие вопросы эксплуатации машин и механизмов,контроля производственных процессов, получения электрической энергии, усилениявысокочастотных колебаний и генерирования радиоволн, создания с помощьюэлектрического тока тепла или холода, и для осуществления многих другихпроцессов.

Кполупроводниковым материалам  относится большинство минералов, неметаллическиеэлементы IV, V, VI групп периодической системы Менделеева, неорганическиесоединения (оксиды, сульфиды), некоторые сплавы металлов, органические красители.Широко применяемыми полупроводниковыми материалами являются элементы IV группыпериодической системы Менделеева – германий и кремний. Это вещества,кристаллизирующиеся в решётке типа алмаза. Такая решётка представляет собойтетраэдр, по вершинам которого расположены четыре атома, окружающие атом,находящийся в центре тетраэдра. Здесь каждый атом связан с четырьмя ближайшимисоседями силами ковалентной связи, так как каждый из них имеет четыре внешнихвалентных электрона.

Притемпературах около абсолютного нуля в идеальном кристалле кремния или германиявсе ковалентные связи заполнены, а все электроны связаны с атомами и не могутучаствовать в процессе электропроводности. Чтобы электрон мог  проводитьэлектрический ток, нужно затратить некоторую работу для его освобождения из ковалентнойсвязи.

Этопроисходит при освещении кристалла. Свет, как известно, представляет собойпоток частиц – фотонов, или квантов света. Если энергия фотона больше или равнаэнергии разрыва связи, то электрон может стать свободным и сможет приниматьучастие в процессе электропроводности. Здесь происходит переход электронов изнаружной заполненной зоны в зону проводимости. При этом вместо ушедшегоэлектрона в кристалле появляется незаполненная связь, которая может быть занятаэлектроном из другой какой-нибудь связи. Одновременно в ранее заполненной зонеобразуется дырка. Таким образом, незаполненная связь или дырка можетперемещаться по кристаллу. Эта незаполненная связь эквивалентна положительнойчастице, двигающейся по кристаллу под действием внешнего электрического поля. Вдействительности дырки не представляют собой положительно заряженных частиц.Очевидно, что в идеальном кристалле количество дырок будет равно количествусвободных электронов.

Спрекращением освещения электропроводность кристалла начнёт уменьшаться, так какэлектроны, которые освободились под действием света, будут размещаться всвязях, т.е. произойдёт рекомбинация электронов и дырок. Этот процессзаканчивается в течение тысячных долей секунды или меньше и кристалл сноваперестаёт проводить электрический ток. Явление, при котором возникаетэлектрический ток под действием света в кристалле, помещённом во внешнееэлектрическое поле, называется фотопроводимостью.

Наименьшаяэнергия, которая необходима для перевода электрона из заполненной зоны в зонупроводимости, определяет собой величину энергетического интервала между этимидвумя или ширину запретной зоны.

Дляразрыва валентных связей при очень низких температурах необходима энергия,равная 1.2 эв (~0.1922 адж) для кремния и 0.75 эв (~0.1201 адж) для германия. Всветовом луче энергия фотонов значительно выше: так, для жёлтого света онасоставляет 2 эв (0.3204 адж).

Освобождениеэлектронов может произойти и другим путём, например при нагревании кристалла,когда энергия колебания атомов в кристаллической решётке может увеличитьсянастолько, что связи разрушатся и электроны смогут освободиться. Этот процесстакже протекает с образованием дырок.

Видеальных кристаллах, где количества электронов и дырок равны, проводимость называетсясобственной. Так как удельное сопротивление идеальных кристалловполупроводников зависит только от температуры, то величина его может служитьхарактеристикой данного полупроводника. Сопротивление идеальных кристалловназывают собственным сопротивлением полупроводника, например, для кремния при300°К собственное удельное сопротивление равно 63600 ом·см  (636 ом·м), а длягермания при той же температуре 47 ом·см (0.470  ом·м).

Идеальныекристаллы, не содержащие никаких примесей, встречаются очень редко. Примеси вкристаллах полупроводников могут увеличивать количество электронов или дырок.Было установлено, что введение одного атома сурьмы в кубический сантиметргермания или кремния приводит к появлению одного электрона, а одного атома бора– к появлению одной дырки.

Появлениеэлектронной или дырочной проводимости при введении в идеальный кристаллразличных примесей происходит следующим образом. Предположим, что в кристаллекремния один из атомов замещен атомом сурьмы. Сурьма на внешней электронной оболочкеимеет пять электронов (V группа периодической системы). Четыре электронаобразуют парные электронные связи с четырьмя ближайшими соседними атомамикремния. Оставшийся пятый электрон будет двигаться около атома сурьмы поорбите, подобной орбите электрона в атоме водорода, но сила его электрическогопритяжения к ядру уменьшится соответственно диэлектрической проницаемостикремния. Поэтому, чтобы освободить пятый электрон, нужна незначительнаяэнергия, равная примерно 0,05 эв (~ 0,008 адж). Слабо связанный электрон легкоможет быть оторван от атома сурьмы под действием тепловых колебаний решётки принизких температурах. Такая низкая энергия ионизации примесного атома означает,что при температурах около –100°с, все атомы примесей в германии и кремнии ужеионизированы, а освободившиеся электроны участвуют в процессе электропроводности.В этом случае основными носителями заряда будут электроны, т.е. здесь имеетместо электронная проводимость или проводимость n-типа (n — первая буква словаnegative).

Послетого как «лишний», пятый, электрон удалён, атом сурьмы становится положительнозаряженным ионом, имеющим четыре валентных электрона, как и все атомы кремния,т.е. ион сурьмы становится заместителем кремния в кристаллической решётке.

Примеси,обусловливающие возникновение электронной проводимости в кристаллах, называютсядонорами. В кремнии и германии ими являются элементы V группы таблицыМенделеева – сурьма, фосфор, мышьяк и висмут. Трёхвалентный атом примеси бора врешётке кремния ведёт себя по-иному. На внешней оболочке атома бора имеютсятолько три валентных электрона. Значит, не хватает одного электрона, чтобызаполнить четыре валентные связи с четырьмя ближайшими соседями. Свободнаясвязь может быть заполнена электроном, перешедшим из какой-либо другой связи,эта связь заполнится электронами следующей связи и т.д. Положительная дырка(незаполненная связь) может перемещаться по кристаллу от одного атома к другому(при движении электрона в противоположном направлении). Когда электрон заполнитнедостающую валентную связь, примесный атом бора станет отрицательно заряженнымионом, заменяющим атом кремния в кристаллической решётке. Дырка будет слабосвязана с атомом бора силами электростатического притяжения и будет двигатьсяоколо него по орбите, подобной орбите электрона в атоме водорода. Энергияионизации, т.е. энергия, необходимая для отрыва дырки от отрицательного ионабора, будет примерно равна 0,05 эв. Поэтому при комнатной температуре всетрёхвалентные примесные атомы ионизированы, а дырки принимают участие впроцессе электропроводности. Если в кристалле кремния имеется примесьтрёхвалентных атомов (III группа периодической системы), то проводимостьосуществляется в основном дырками. Такая проводимость носит название дырочнойили проводимости р (р — первая буква слова positive). Примеси, вызывающиедырочную проводимость, называются акцепторами. К акцепторам в германии икремнии относятся элементы третьей группы периодической системы: галлий,таллий, бор, алюминий.

Количествоносителей тока, возникающих при введении примеси каждого вида в отдельности,зависит от концентрации примеси и энергии её ионизации в данном полупроводнике.Однако большинство практически используемых примесей при комнатной температуреполностью ионизировано, поэтому концентрация носителей, создаваемая при этихусловиях примесями, определяется только их концентрацией и для многих из нихравна числу введенных в полупроводник атомов примеси.

Каждыйатом донорной примеси вносит один электрон проводимости, следовательно, чембольше донорных атомов в каждом кубическом сантиметре полупроводника, тембольше концентрация их превышает концентрацию дырок, и проводимость носитэлектронный характер. Обратное положение имеет место при введении акцепторныхпримесей.

Приравной концентрации донорной и акцепторной примесей в кристалле проводимостьбудет обеспечиваться, как и в собственном полупроводнике, электронами и дыркамиза счёт разрыва валентных связей. Такой полупроводник называетсякомпенсированным.

Количествоэлектричества, переносимого дырками или электронами, определяется не толькоконцентрацией носителей, но и подвижностью электронов и дырок.

Важнейшейхарактеристикой, определяющей качество германия и кремния в техникеполупроводниковых приборов, является величина τ, называемая временем жизнинеосновных носителей тока. В большинстве случаев τ желательно иметьмаксимальным.

Дляиспользования германия и кремния в полупроводниковых приборах (например,солнечных батареях, преобразующих световую энергию в электрическую) иинфракрасной оптике важно знать коэффициент преломления, отражательнуюспособность и пропускание света в широком диапазоне длин волн.

Нарядус элементарными полупроводниками в полупроводниковой технике находят широкоеприменение  полупроводниковые соединения, получаемые путём сплавления илихимической обработки чистых элементов. Таковы закись меди (Cu2O), из которойизготавливают полупроводниковые выпрямители разнообразных типов, сурьмянистыйцинк (SbZn), используемый для изготовления полупроводниковых термобатарей,теллуристый свинец (PbTe), нашедший применение для изготовленияфотоэлектрических приборов и для отрицательной ветви термоэлементов и многиедругие.

Особыйинтерес представляют соединения типа АIIIВV. Получают их путём синтезаэлементов III и V групп периодической системы элементов Менделеева. Изсоединений этого типа наиболее интересными полупроводниковыми свойствамиобладают A1P, A1As, A1Sb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb. По ряду свойств этисоединения близки к полупроводниковым элементам IV группы германию и кремнию. Подвижностьносителей тока в них достигает больших значений; ширина запрещённой зоны унекоторых из этих соединений также велика; примеси, вводимые в них, изменяютмеханизм электропроводности; так, некоторые атомы II группы ведут себя какакцепторы, а ряд атомов VI группы – как доноры.

Полупроводниковаятехника требует применения особо чистых материалов. Примеси, как было ужеотмечено, изменяют свойства полупроводников. Поэтому в зависимости отназначения материалов количество  примесей в них ограничивают. Легирующиедобавки, вводимые в полупроводники для придания им определённых свойств, такжедолжны быть чисты от примесей.

Всовременной технике пользуются рядом способов получения материалов высокойчистоты. Таковы йодидный метод, применяемый для очистки некоторых металлов, иметод зонной плавки; оба они описаны в разделе  производства титана. Кроме этихметодов, для очистки полупроводниковых материалов применяют некоторые виды ихпереплавки.

Простейшейявляется открытая переплавка в тигле, устанавливаемом в электрической печи. Вовремя переплавки  порошкообразного материала из него удаляются влага, газы иокислы (последние всплывают вверх). Некоторые окислы затвердевают наповерхности расплава, который можно слить, пробиванием отверстия в коркеокислов.

Болееполной является очистка, производимая при переплавке в вакууме. Материал,подлежащий очистке, загружают в кварцевую ампулу, которую помещают вэлектрическую печь. Открытый конец ампулы соединяют с вакуумной установкой  иоткачивают выделяющиеся во время расплавления материала газы и летучиесоединения. Откачка длится от нескольких минут до нескольких часов взависимости от времени плавки.

Высокуюстепень чистоты полупроводниковых материалов получают возгонкой илисублимацией. Этот метод основан на способности некоторых твёрдых веществпереходить в парообразное состояние, минуя жидкую фазу, а затем в обратномпорядке переходить из парообразного в твёрдое состояние, образуя твёрдыйпродукт – сублимат. Такими свойствами обладают некоторые полупроводники. Возможностьвозгонки определяется упругостью паров примесей или чистого вещества при даннойтемпературе. Полупроводниковые материалы обладают довольно высокой упругостьюпаров, что даёт возможность производить возгонку при относительно низкихтемпературах и небольшом вакууме. Сублимат осаждается на стенках вертикальноустановленного конденсатора, причём наиболее летучие примеси оседают в верхнейзоне, наименее летучие – внизу, а труднолетучие остаются в остатке. Врезультате повторной возгонки получают более чистый продукт.

Различныеметоды очистки полупроводников дают возможность получать продукт  требуемойчистоты. Так, например, зонной плавкой загрязнённого германия удаётся снизитьчисло атомов примеси в нём до одного на 10   атомов германия.

2.Металлургия германия и кремния

Германийпринадлежит к редким рассеянным вприроде элементам. Запасы его в земной коре составляют 7·10  %. Атомный весгермания 72,6, температура плавления 958,5°С. производят его из отходовцинкового производства, пыли, получаемой при сжигании углей, германиевыхконцентратов, извлекаемых из медно-свинцово-цинковых сульфидных руд исодержащей германий пыли, улавливаемой при медной плавке. Технология получениягермания осуществляется путём превращения двуокиси в тетрахлорид германия,очистки последнего и превращения тетрахлорида в двуокись с последующимвосстановлением двуокиси. Эти процессы можно представить уравнениями реакций:

GeO2+4HCl↔GeCl4+2H2O.

Приконцентрации HCl>6n реакция сдвинута вправо; при меньшей концентрации –реакция протекает справа налево.

Температуракипения полученного тетрахлорида германия 83ºC. Так как вместе с ним всконденсированной жидкости имеются и другие соединения, то его  подвергаютректификации. После этого тетрахлорид германия  переводят в двуокись по уравнению

GeCl4+(x+2)H2O=GeO2xH2O+4HCl.

Полученнуючистую двуокись германия восстанавливают в трубчатой электрической печиводородом. Восстановление протекает по реакции

GeO2+2H2=Ge+2H2O,

Притемпературе 600°C, в течение 20-50 мин, после чего лодочка с восстановленнымгерманием передвигается в зону более высоких температур и при 1000-1100°Cпроисходит сплавление.

Кремний– широко распространённый элемент вприроде. В земной коре его 27.6%. атомный вес кремния 28.06. температураплавления 1415°C, температура кипения около 2600°C. Технология получения егоотличается от технологии получения германия. Исходное сырьё в виде двуокисикремния широко распространено в природе. Из кремнезёма в дуговых электрическихпечах путём восстановления его углеродом кокса получают кремний чистотой до97%. Восстановление протекает по уравнению

SiO2+2C=Si+2CO.

Путёмхлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния. Старейшимметодом разложения тетрахлорида кремния является метод выдающегося русскогохимика академика Н.Н.Бекетова. Метод этот можно представить уравнением:

SiCl4+Zn=Si+2ZnCl2.

Здесьпары тетрахлорида кремния, кипящего при температуре 57,6°C, взаимодействуют спарами цинка.

Внастоящее время тетрахлорид кремния восстанавливают водородом. Реакцияпротекает по уравнению:

SiCl4+2Н2=Si+4НCl.

Кремнийполучается в порошкообразном виде. Применяют и йодидный способ получениякремния, аналогичный описанному ранее йодидному методу получения чистоготитана.

Чтобыполучить чистыми германий и кремний, их очищают от примесей зонной плавкойаналогично тому, как получают чистый титан.

Дляцелого ряда полупроводниковых приборов предпочтительны полупроводниковыематериалы, получаемые в виде монокристаллов, так как в поликристаллическомматериале имеют место неконтролируемые изменения электрических свойств.

Привращении монокристаллов пользуются методом Чохральского, заключающимся  вследующем: в расплавленный материал опускают стержень, на конце которогоимеется кристалл данного материала; он служит зародышем будущего монокристалла.Стержень вытягивают из расплава с небольшой скоростью до 1-2 мм/мин. Врезультате постепенно выращивают монокристалл нужного размера. Из него вырезаютпластинки, используемые в полупроводниковых приборах.

Маркировкугермания и кремния производят по буквенно-цифровой системе. Германийэлектронный, легированный сурьмой, обозначают ГЭЛС. За буквами цифры указываютудельное сопротивление ом·см (ом·м), а если их две группы, как, например,0,3/0,2, то первые (0,3) означают удельное сопротивление, а вторые (0,2) –диффузионную длину неосновного носителя тока, мм. Кремний монокристаллическийдырочный маркируют КМ-2, где цифра показывает удельное сопротивление ом·см;кремний монокристаллический электронный маркируют КМЭ-2.

3.Применение полупроводников

3.1.Тепловые сопротивления (термисторы)

Изменениеэлектропроводности полупроводников под влиянием температуры позволило применятьих в приборах, работа которых основана на использовании этого свойства.Полупроводники используют в качестве термометров для замера температурокружающей среды. Они более чувствительны, чем термометры сопротивления,изготовляемые из металла под названием болометров и применяемые в лабораторнойпрактике для измерения очень высоких или самых низких температур. О температуресудят, замеряя электрическое сопротивление болометра. Но точность измерения спомощью этих приборов невелика, так как металлы изменяют своё сопротивлениевсего на 0,3% на каждый градус. Иное положение имеет место при использованииполупроводников. У некоторых полупроводников повышение температуры на 1°Cувеличивает электропроводность на 3-6%, повышение температуры на 10° — примернона 75%, а повышение температуры на 100°C увеличивает электропроводность в 50раз. Благодаря высокому удельному сопротивлению полупроводников их применяют вкачестве чувствительных термометров при дистанционных измерениях. Сопротивлениеметаллических проводов даже очень тонких и длиной в несколько километров оказывается ничтожным  по сравнению с сопротивлением  термометра. Размерыполупроводниковых сопротивлений могут быть чрезвычайно малыми длиной внесколько десятых долей миллиметра. Это снижает инерционность прибора, так какпри малых размерах сопротивление быстро принимает температуру окружающей среды.Значительное изменение электропроводности полупроводников в зависимости оттемпературы обеспечивает точность измерений.

Полупроводниковыетермометры сопротивления под названием термисторов широко применяют в технике.С их помощью контролируют температуру в большом числе точек, причём показания еёмогут быть получены на приборах, установленных в одном пункте. При такомконтроле температур в помещениях с помощью термисторов можно поддерживатьтемпературу на желаемом уровне, включая и выключая нагревательные  приборы,когда заданный уровень температуры отклоняется от нормы. Работают они притемпературах до 300°C (573°K). Термисторы могут выполнять функции ограничителявремени. Для этого последовательно с полупроводниковым термосопротивлениемвключается то или иное активное электросопротивление. В результате в сетиполучается возрастающий со временем ток, так как ток разогревает полупроводники повышает его электропроводность, следовательно, повышается и величина тока вцепи. По мере разогрева полупроводника сопротивление падает, а ток повышаетсяещё в большей степени. Параллельно с ростом температуры увеличиваются и потеритепла в окружающую среду до тех пор, пока они не сравняются с теплотой,выделяемой током; тогда будет достигнута равновесная температура, которуюполупроводник и будет сохранять, пока к нему приложена данная разностьпотенциалов.

Продолжительностьвремени, необходимого для достижения равновесия и определённого тока при даннойразности потенциалов, определяется размерами образца и условиями охлаждения.Такое «реле» времени допускает регулировку в самых широких пределах. Можноподобрать условия так, чтобы это время было от долей секунды до 10 мин. Подостижении установленного времени может производиться автоматическое включениеи выключение систем освещения или действующих установок.

Термосопротивленияприменяют как регуляторы температуры, температурные компенсаторы, в приборахдля измерения утечки газа, для дистанционного измерения влажности, дляизмерения высоких давлений, механических напряжений, скорости или количествапротекающих жидкости, скорости движения газов, для измерения больших ускорений.

Приизготовлении термисторов пользуются окислами различных металлов, таких, какCuO, Mn3O4, UO2, а также Ag2S. Хорошие результаты дают смеси полупроводников,такие, как CuO+Mn3O4; Mn3O4+NiO; Mn3O4+NiO+Co3O4.

Вещества,используемые для изготовления термосопротивлений, представляют собоймелкокристаллические порошки. Составляя смесь, регулируют их проводимость,обусловленную ионами с разной валентностью. Это позволяет удовлетворять самыеразличные требования, которые предъявляются к термосопротивлениям в зависимостиот их назначения.

Термосопротивленияизготавливают прессованием полупроводникового порошка с последующим спеканием втвёрдую компактную массу, а также путём плавки полупроводника для придания емунужной формы и размеров. Изготавливают их в виде шариков, стержней, дисков,шайб и чешуек.

Нашапромышленность выпускает различные типы термосопротивлений, среди которыхнаиболее распространёнными являются: ММТ-1, ММТ-4, КМТ-1, КМТ-4, ММТ-8 и ММТ-9.В этих марках буквы являются условным обозначением материалатермосопротивлений, а цифры – его конструктивного оформления. Первые четыре изприведенных сопротивлений применяют для измерения и регулирования температуры;в качестве «реле» времени; для дистанционного измерения влажности воздуха (попринципу психометра Ассмана); для замера малых скоростей движения итеплопроводности газов, жидкостей и для ряда других целей.

Вкачестве переменных сопротивлений без скользящего контакта в различных автоматическихсхемах слабого тока применяют термосопротивления с косвенным подогревом,обозначаемые ТКП-300, ТКП-20, что означает термосопротивление косвенногоподогрева, в отличие от ТП – термосопротивления прямого подогрева. Цифрыуказывают электросопротивление полупроводника в омах при номинальной мощности,рассеиваемое в подогреваемой обмотке.

3.2.Фотосопротивления

Переводэлектронов в свободное состояние или образование «дырок» в полупроводнике можетпроисходить не только под влиянием тепла, но и в результате воздействия другихвидов энергии, таких, как световая, энергия потока электронов, ядерных частиц.Увеличение количества свободных электронов или «дырок» проявляется повышениемэлектропроводности и возникновением тока.

Умногих полупроводников связь между электронами и атомами настольконезначительна, что лучистой энергии света вполне достаточно для переводаэлектронов в свободное состояние. Для жёлтого света энергия фотона составляет 2электрон-вольта, а у некоторых полупроводников перевод электронов в свободноесостояние происходит под влиянием нескольких десятых долей электрон-вольта. Утаких полупроводников повышение проводимости наблюдается даже под влияниеминфракрасной части спектра. Это даёт возможность обнаруживать на расстояниимногих километров излучение, исходящее от даже слабо нагретых тел. В результатетакого излучения имеет место небольшое повышение тока в цепи с соответственнымполупроводником. Первичное слабое повышение тока затем многократноувеличивается с помощью усилителей, иногда даже в миллион раз. Это даётнеобходимый сигнал.

Повышениеэлектропроводности, вызванное светом, носит название фотопроводимости, аоснованные на этом явлении приборы называют фотосопротивлениями.

Подбираютфотосопротивления в зависимости от условий облучения, в которых им приходитсяработать. Наиболее употребительные материалы для фотосопротивлений в видимойчасти спектра – сернистый кадмий, сернистый таллий, сернистый висмут, а дляинфракрасных лучей – сернистый, селенистый и теллуристый свинец.

Фотосопротивленияшироко применяют для сигнализации и автоматики, управления на расстояниипроизводственными процессами, сортировки изделий. С их помощью предупреждаютнесчастные случаи и аварии при нарушении хода процесса, автоматическиостанавливая машины.

Фотоэлектрическоеустройство приходит в действие от появления или исчезновения лучей нафотосопротивлении или резкого изменения их интенсивности, например, припоявлении пламени, наступлении темноты, прерывания луча.

Дляконтроля хода процесса луч света направляют на фотосопротивление. Междуисточником света и фотосопротивлением находится или проходит «указатель»,свидетельствующий о нормальном ходе процесса. Таким указателем могут бытьизделия, непрерывно движущиеся на конвейерной ленте. В случае нарушениянормального хода процесса конвейер может автоматически выключаться.

Фотосопротивлениеиспользуют для сортировки изделий по их окраске или размерам. В зависимости отизменения размера или окраски изделия количество световой энергии, попадающейна фотосопротивление, может изменяться, а вместе с этим изменяется проводимостьи ток в полупроводнике. Это даёт возможность направлять отсортированные изделияв предназначенные для каждого из них места.

3.3.Термоэлементы

Термоэлементы– приборы, в которых тепловая энергия непосредственно превращается вэлектрическую.

Основаныони на явлении Зеебека, заключающемся в том, что при нагреве места спая двухразнородных металлов в замкнутой цепи возникает электродвижущая сила. ЯвлениеЗеебека используется давно для измерения температур с помощью термопар. Дляполучения электрической энергии из тепловой металлические проводники непригодны, так как коэффициент полезного действия (к.п.д.) термоэлементов изпроволоки составляет всего 0,5%. Для этой цели используют полупроводники,которые дают возможность непосредственно превращать тепловую энергию вэлектрическую без участия каких-либо машин.

Коэффициентполезного действия термоэлемента, составленного из полупроводников, доходит до7-10%, т.е. находится на уровне к.п.д. таких машин, как паровозы, в которых онравен 4-8%.

Термоэлементысоставляют из полупроводников с р — и n-проводимостью, соединённыхдруг с другом металлической пластинкой. Конструктивное выполнение такоготермоэлемента сходно с термоэлементом из металлических проволок. Примеромхорошей пары являются цинк – сурьма и сернистый свинец. При подогреве места«спая» полупроводниковых пластинок в замкнутой цепи возникает электродвижущаясила. Соединение таких отдельных термоэлементов в батарею даёт возможностьполучать постоянный ток необходимого напряжения в 120 и более в;мощность большинства термогенераторов ограничена несколькими десятками ватт.Недавно создан термогенератор мощностью в 200 вт, проектируются ещёболее мощные.

Батареииз термоэлементов с радиальным расположением отдельных элементов, спаи которыхсходятся в центре круга, служат для получения электроэнергии, питающейрадиоустановки, в местах отсутствия электрической энергии. Спаи в этом случаеподогревают керосиновой лампой или керогазом.

3.4.Холодильники и нагреватели

важнойособенностью, открывающей широкие перспективы применения полупроводников,является получение с их помощью холода и тепла более экономичными путями.

Такоеиспользование полупроводников основано на термоэлектрических явлениях, обратныхнаблюдающимся в термоэлементах. Ток, возникающий в замкнутой цепитермоэлемента, охлаждает горячий спай и наоборот, подогревает холодный спай.При пропускании же тока через термоэлементы в обратном направлении выделяетсятепло в горячем спае и отнимается тепло от холодного. Один и тот же спай двухпроводников при одном направлении тока нагревается, а при другом охлаждается.Пользуясь этим, можно охлаждать воздух в холодильном шкафу, в который помещёнохлаждаемый спай металла. Для этого в термоэлементе поддерживают температурунагреваемого спая, близкую к комнатной, отводя от него выделяемую теплоту вокружающую среду; при этом другой спай значительно охлаждается, а через негоохлаждается и окружающий воздух.

Применяядля этой цели полупроводники, характеризующие достаточно высокой величинойк.п.д. термоэлемента, можно получить в холодильном шкафу необходимые низкиетемпературы. Например, полупроводники из сплавов висмута, селена, теллура исурьмы обеспечивают в термоэлементе разность температур около 60°C, а всконструированном с помощью таких полупроводников холодильном шкафуподдерживается температура минус 16°C.

Этимже явлением можно воспользоваться и для отопления зданий. Пропускаяэлектрический ток через термоэлектрическую цепь, помимо обычного нагрева всегопроводника, охлаждают один спай и нагревают другой, т.е. переносят тепло отодного спая к другому. Академик А.Ф.Иоффе рассчитал, какое количество теплабудет при этом выделено. От охлаждаемого спая отнимается некоторое количествотепловой энергии

Q=αTIt,

гдеα – термоэлектродвижущая сила, в;

     T– абсолютная температура холодного спая;

     I – величина тока, а;

     t – длительность прохождения тока, сек.

Соответственнов тёплом спае, абсолютную температуру которого обозначим через Т1, выделяетсятепловая энергия Q1:

Q1=αT1It.

Этатепловая энергия Q1 больше теплоты Q, в отношении:

Q1/Q= Т1/T.

Еслиограничиться рассмотрением процесса на обоих спаях, то их можно описатьследующим образом: электрический ток отнимает от холодного спая теплоту Qи передаёттеплому спаю большее количествотепла Q1, добавляя недостающую энергию в виде электрическойэнергии W. К теплоте Q, отнимаемой от холодного спая, добавляется энергия W,и сумма их Q+W=Q1 выделяется на тёплом спае.

Изприведенных данных о величинах Qи Q1 видно, что отношение затрачиваемой электрическойэнергии W к теплоте Q1, которая освобождается на теплом спае, равно:

W/Q1=Q1­Q/Q1=T1­T/T.

Еслиабсолютная температура теплого спая Т1=300°, что соответствует +27°C, а температура Т0=270° или -3°C,то

W/Q1=30/300=0,1,

Отсюдаследует, что для передачи в тёплое помещение при температуре 2727°C100 калтепла можно было бы использовать 90 кал, взятых от холодной среды(например, от внешнего воздуха) и добавить всего 10 кал за счёт электроэнергии.

Посколькутакое извлечение тепла из внешнего холодного воздуха или водного резервуаралегко и доступно, возникает заманчивая возможность, затрачивая всего 10% отвносимого в помещение тепла за счёт электроэнергии, отапливать помещениепрактически за счёт извлекаемого снаружи тепла. Но процесс в термоэлектрическойбатарее не ограничивается только выделением и поглощением тепла на спаях. Вдольветвей самой термобатареи возникает поток тепла от теплого спая к холодному,который противодействует переносу тепла в обратном направлении, сопровождающемупрохождение тока. Кроме того, часть электрической энергии превращается в теплов обеих ветвях термоэлемента. В результате наличия этих двух процессовиспользование электроэнергии резко снижается; приходится добавлять не 10% электроэнергии,а около 60%; но и такой результат представляет значительный интерес: затратаэлектроэнергии составляет только около половины теплоты, поступающей в помещение,а остальная половина доставляется более холодным наружным воздухом илипроточной водой при температурах, близких к нулю.

Чемменьше разность Т1-Т0 по сравнению с Т1, тем выгоднее окажется термоэлектрическаябатарея по сравнению с электрической печью сопротивления.

Термоэлектрическаябатарея обладает и другим важным преимуществом. Если изменить направление токана противоположное, то на наружных спаях начнёт выделяться теплота Q, анагревавшие помещение спаи будут отнимать теплоту Q1, охлаждаяпомещение. В жаркое время года та же термобатарея может охлаждать воздух.Регулируя величину и направление тока в батарее, можно поддерживать в помещенииодинаковую температуру при любых температурах внешнего воздуха.

Литература:

1.Д.А.Браун.-Новыематериалы в технике. -Издательство ˝Высшая школа˝, М.- 1965,194с.

2.Сидорини др. — Основы материаловедения