МАТEРИАЛОВEДEНИE И ТКМ КУРС ЛEКЦИЙ М 2006 90 С

<< Пред. стр. 1 (из 7) След. >>

Министерство образования РФ
Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра материаловедения и ТКМ

Курс лекций по предмету
"Материаловедение и ТКМ"

II семестр

Авторы: студенты группы ЭСиС-207

Ахметгареев Р.Р.
Васильев О. Ю.
Рощин М. Е.
Лазарев Д. В.

Уфа 2004

Оглавление
Лекция 1 4
Заполнение зон электронами. Проводники, диэлектрики и полупроводники 4
Собственные полупроводники 5
Примесные полупроводники 6
Лекция 2 8
Принципы работы полупроводниковых приборов и их применение 8
Диоды 8
Стабилитроны 9
Варикапы 10
Светодиоды 11
Фоторезисторы 12
Фотоэлементы с p-n-переходом 12
Фотодиоды 13
Термоэлектрогенераторы и термоэлектрохолодильники 14
Эффект Холла 15
Полупроводниковые лазеры (КПД > 90%) 16
Тензорезисторы 17
Лекция 3 18
Механические свойства материалов 18
Диаграмма растяжения 18
Пластичность и хрупкость. Твердость 21
Способы измерения твёрдости 22
Влияние энергии химических связей на свойства материалов 23
Теоретическая и реальная прочности кристаллов на сдвиг 25
Лекция 4 27
Кристаллизация металлов 27
Самопроизвольная кристаллизация 27
Несамопроизвольная кристаллизация 30
Получение монокристаллов 31
Аморфное состояние металлов 32
Полиморфизм 33
Лекция 5 34
Влияние нагрева на структуру и свойства металлов 34
Холодная и горячая деформации 36
Термическая обработка металлов и сплавов 36
Определения и классификация 36
Нагрев для снятия остаточных напряжений 38
Рекристаллизационный отжиг 38
Диффузионный отжиг (гомогенизация) 39
Лекция 6 40
Термохимическая обработка 40
Назначение и виды химико-термической обработки 40
Цементация 41
Цианирование и нитроцементация 43
Азотирование 43
Диффузионная металлизация 44
Алитирование (Al) 45
Хромирование (Cr) 45
Борирование (B) 46
Силицирование (Si) 46
Поверхностно-пластическая деформация 46

Лекция 7 48
Способы литья 48
Литье в землю 48
Литье в оболочковые формы 48
Литье по выплавляемым моделям 48
Непрерывное литье 48
Литье в кокиль 48
Литье под давлением 49
Центробежное литье 50
Литье под низким давлением 50
Литье выжиманием 51
Лекция 8 52
Конструкционные материалы 52
Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам 52
Прочность конструкционных материалов и критерии ее оценки 53
Классификация конструкционных материалов 54
Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочности 54
Классификация конструкционных сталей 55
Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали 56
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов 57
Превращения в сплавах системы железо-цементит 58
Углеродистые стали 60
Легированные стали 61
Лекция 9 62
Цветные сплавы 62
Медные сплавы 62
Сплавы на основе алюминия 64
Сплавы на основе магния 65
Титан и сплавы на его основе 67
Лекция 10 69
Органические полимеры 69
Старение полимеров 70
Дополнительные компоненты полимерных композиций 71
Неполярные и слабополярные термопласты 72
Полярные термопласты 73
Термореактивные полимеры 74
Слоистые пластмассы 75
Металлопласты 76
Лекция 11 77
Неорганические материалы 77
Графит 77
Неорганическое стекло 79
Ситаллы 80
Керамика 81
Лекция 12 84
Композиционные материалы 84
Композиционные материалы с металлической матрицей 84
Композиционные материалы с неметаллической матрицей 86
Карбоволокниты 87
Бороволокниты 88
Органоволокниты 88
Список литературы 90

Лекция 1
Заполнение зон электронами. Проводники, диэлектрики и полупроводники

Каждая энергетическая зона содержит ограниченное число энергетических уровней. В соответствии с принципом Паули на каждом уровне может разместиться не более двух электронов. При ограниченном числе электронов, содержащихся в твердом теле, заполненными окажутся лишь несколько наиболее низких энергетических зон. По характеру заполнения зон электронами все тела можно разделить на две большие группы.

К первой группе относятся тела, у которых над целиком заполненными зонами располагается зона, заполненная лишь частично (рис. а). Такая зона возникает в том случае, когда атомный уровень, из которого она образуется, заполнен в атоме не полностью. Частично заполненная зона может образоваться вследствие наложения заполненных зон на пустые или частично заполненные (рис. б). Наличие зоны, заполненной лишь частично, присуще металлам.
Ко второй группе относятся тела, у которых над целиком заполненными зонами располагаются пустые зоны (рис. в, г). Типичным примером таких тел являются химические элементы IV группы таблицы Менделеева - углерод в модификации алмаза, кремний, германий и серое олово, имеющее структуру алмаза. К этой же группе тел относятся многие химические соединения - окислы металлов, нитриды, карбиды, галогениды щелочных металлов и т. д. Согласно зонной теории твердых тел, электроны внешних энергетических зон имеют практически одинаковую свободу движения во всех телах независимо от того, являются они металлами или диэлектриками. Движение осуществляется путем туннельного перехода электронов от атома к атому. Несмотря на это, электрические свойства этих тел, в частности удельная электропроводность, различаются у них на много порядков.
По ширине запрещенной зоны тела второй группы условно делят на диэлектрики и полупроводники. К диэлектрикам относят тела, имеющие относительно широкую запрещенную зону. У типичных диэлектриков Eg > 3 эВ. Так, у алмаза Eg - 5,2 эВ; у нитрида бора Eg - 4,6 эВ.
К полупроводникам относят тела, имеющие сравнительно узкую запрещенную зону (рис. г). У типичных полупроводников Eg < 1 эВ. Так, у германия Eg = 0,65 эВ; у кремния Eg = 1,08 эВ; у арсенида галлия Eg = 1,43 эВ

Диэлектрики:
Запрещенная зона Wg~5эВ; ?=108?1018Ом*м;
Металлы:
Запрещенная зона Wg=0; ?=10-8?10-6Ом*м;
Полупроводники:
Запрещенная зона Wg~1эВ; ?=10-6?107Ом*м;
Собственные полупроводники
Химически чистые полупроводники называются собственными полупроводниками. К ним относится ряд чистых химических элементов (германий, кремний, селен, теллур и др.) и многие химические соединения, такие, например, как арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), карбид кремния (SiC) и т. д.
На рис. а показана упрощенная схема зонной структуры собственного полупроводника. При абсолютном нуле его валентная зона укомплектована полностью, зона проводимости, расположенная над валентной зоной на расстоянии Eg является пустой. Поэтому при абсолютном нуле собственный полупроводник, как и диэлектрик, обладает нулевой проводимостью.

Однако с повышением температуры вследствие термического возбуждения электронов валентной зоны часть из них приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости (рис. б). Это приводит к появлению в зоне проводимости свободных электронов, а в валентной зоне - свободных уровней, на которые могут переходить электроны этой зоны. При приложении к такому кристаллу внешнего поля в нем возникает направленное движение электронов зоны проводимости и валентной зоны, приводящее к появлению электрического току. Кристалл становится проводящим.
Чем уже запрещенная зона и выше температура кристалла, тем больше электронов переходит в зону проводимости, поэтому тем более высокую электропроводность приобретает кристалл.
Из изложенного вытекают следующие два важных вывода.
Проводимость полупроводников является проводимостью возбужденной: она появляется под действием внешнего фактора, способного сообщить электронам валентной зоны энергию, достаточную для переброса их в зону проводимости. Такими факторами могут быть нагревание полупроводников, облучение их светом и ионизирующим излучением.

где ? - удельная проводимость;
? - удельное электрическое сопротивление;

n - концентрация носителей заряда;
q - величина заряда;
? - подвижность носителей заряда;

Подвижность носителей заряда характеризует способность перемещаться под действием электрического поля.

В металлах n практически не меняется. В полупроводниках n зависит от температуры.

где k - постоянная Больцмана
T - абсолютная температура

Разделение тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере условный характер. Алмаз, являющийся диэлектриком при комнатной температуре, приобретает заметную проводимость при более высоких температурах и может считаться также полупроводником. По мере того, как в качестве полупроводников начинают использоваться материалы со все более широкой запрещенной зоной, деление
тел на полупроводники и диэлектрики постепенно утрачивает свой
смысл.
В таблице приведены электрофизические свойства и характеристики зонной структуры трех типичных собственных полупроводников при комнатной температуре - кремния, германия и антимонида индия.

Вещество Eg, эВ ?, Ом?м ?n,см2/В?с ?p,см2/В?с ?, г/см3 M, г/моль Ge (70?800C) 0,66 0,8 4000 3000 5,3 73 Si (120?1400C) 1,12 2000 1900 400 2,3 28
Из данных таблицы видно, что с уменьшением ширины запрещенной зоны резко возрастает концентрация свободных носителей заряда в полупроводнике и падает его удельное сопротивление.

Примесные полупроводники
Полупроводники любой степени чистоты содержат всегда примесные атомы, создающие свои собственные энергетические уровни, получившие название примесных уровней. Эти уровни могут располагаться как в разрешенной, так и в запрещенной зонах полупроводника на различных расстояниях от вершины валентной зоны и дна зоны проводимости. В ряде случаев примеси вводят сознательно для придания полупроводнику необходимых свойств. Рассмотрим основные типы примесных уровней.
Донорные уровни. Предположим, что в кристалле германия часть атомов германия замещена атомами пятивалентного мышьяка. Германий имеет решетку типа алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним валентными силами (рис. а). Для установления связи с этими соседями атом мышьяка расходует четыре валентных электрона; пятый электрон в образовании связи не участвует. Он продолжает двигаться в поле атома мышьяка.
Вследствие ослабления поля радиус орбиты электрона увеличивается в 16 раз, а энергия связи его с атомом мышьяка уменьшается примерно в ?2 ? 256 раз, становясь равной Ед ? 0,01 эВ. При сообщении электрону такой энергии он отрывается от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решетке германия, превращаясь, таким образом, в электрон проводимости (рис. б).
На языке зонной теории этот процесс можно представить следующим образом. Между заполненной валентной зоной и свободной зоной проводимости располагаются энергетические уровни пятого электрона атомов мышьяка (рис. в). Эти уровни размещаются непосредственно у дна зоны проводимости, отстоя от нее на расстоянии Eg ? 0,01 эВ. При сообщении электронам таких примесных уровней энергии Eg они переходят в зону проводимости (рис. г). Образующиеся при этом положительные заряды ("дырки") локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в электропроводности не участвуют.
Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей - донорными уровнями. Полупроводники, содержащие донорную примесь, называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа, часто их называют также донорными полупроводниками.
Акцепторные уровни. Предположим теперь, что в решетке германия часть атомов германия замещена атомами трехвалентного индия (рис. а). Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно "заимствовать" у атома германия. Для этого требуется энергия порядка Еа ? 0,01 эВ. Разорванная связь представляет собой дырку (рис. б), так как она отвечает образованию в валентной зоне германия вакантного состояния.
На рис. в показана зонная структура германия, содержащего примесь индия. Непосредственно у вершины валентной зоны на расстоянии Еа ? 0,01 эВ располагаются незаполненные уровни атомов индия. Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при относительно невысоких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни (рис. г). Связываясь с атомами индия, они теряют способность перемещаться в решетке германия и в проводимости не участвуют. Носителями заряда являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.
Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называют акцепторными, а энергетические уровни этих примесей - акцепторными уровнями. Полупроводники, содержащие также примеси, называются дырочными полупроводниками, пли полупроводниками p-типа; часто их называют акцепторными полупроводниками.
Лекция 2
Принципы работы полупроводниковых приборов и их применение
Диоды
В пластине полупроводника, на границе между двумя слоями с различного рода электропроводностями, образуется электронно-дырочный переход, называемый также p-n-переходом или запирающим слоем. Этот слой обладает вентильными свойствами, т. е. односторонней проводимостью. Это явление можно пояснить следующими положениями. Концентрация электронов в n-области во много раз больше, чем их концентрация в p-области, где они служат неосновными носителями заряда. Вследствие этого электроны диффундируют в область их низкой концентрации - p-область. Здесь они рекомбинируют с дырками акцепторов и таким путем образуют пространственный (объемный) отрицательный заряд ионизированных атомов акцепторов, не скомпенсированный положительным зарядом дырок - основных носителей заряда в этой области.
Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. Здесь создается нескомпенсированный зарядом электронов пространственный положительный заряд ионов доноров. Таким путем между двумя областями полупроводника возникает двойной слой пространственного заряда, обедненный основными носителями заряда. Из-за наличия пространственных зарядов возникает перепад электрического потенциала между p- и n-областями. Его называют потенциальным барьером, а его величину - высотой потенциального барьера.
Электронно-дырочный переход нельзя получить, наложив одну на другую пластины, изготовленные из полупроводников с различной примесной проводимостью, так как между пластинами неизбежно наличие поверхностных пленок или очень тонкого слоя воздуха. Такой переход создается лишь посредством образования областей с различными электропроводностями в одной пластине полупроводника. Такой двухслойный полупроводниковый прибор с p-n-переходом называется полупроводниковым диодом.
Если положительный полюс источника электроэнергии соединен с p-областью полупроводникового диода, а отрицательный - с n-областью, то электрическое поле источника ослабляет до малой величины действие пространственных зарядов - снижает потенциальный барьер диода, вследствие чего резко возрастает диффузия и вместе с ней ток через p-n-переход. Такое включение полупроводникового диода называется прямым.
При обратном включении полупроводникового диода, когда с p-областью соединен минус источника напряжения, а с n-областью - плюс этого источника, внешнее поле усиливает поле пространственных зарядов и удаляет носители заряда с обеих сторон перехода. Через p-n-переход создается в этом случае лишь весьма малый ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда. Но из-за этого тока обратное сопротивление полупроводникового диода является конечной величиной.

Прямое включение: Обратное включение:

У диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток Iобр, который измеряют при определенном значении обратного напряжения.

Закон изменения тока

Стабилитроны
Полупроводниковые стабилитроны, называемые иногда опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжений. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя p-n-перехода при включении диода в обратном направлении.
Материалы, используемые для создания p-n-перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. При этом напряженность электрического поля в p-n-переходе значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях в p-n-переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой. В этом режиме нагрев диода не носит лавинообразного характера. Поэтому электрический пробой не переходит в тепловой.

U - напряжение стабилизации

В качестве примера на рисунке приведены вольт-амперные характеристики стабилитрона при различных температурах, показано условное обозначение стабилитронов.
Варикапы
Варикап - это полупроводниковый прибор, предназначенный для использования в качестве управляемой электрическим напряжением емкости. Варикап работает при обратном напряжении, приложенном к p-n-переходу.
Емкость p-n-перехода диода с увеличением обратного напряжения уменьшается. Максимальная емкость варикапа в зависимости от его типа составляет 5-300 пФ. Отношение минимальной и максимальной емкостей равно 1:5. Благодаря достаточно высокой добротности варикапы используются для построения колебательных контуров с управляемой напряжением резонансной частотой в области свч.

С = - емкость зависит от площади обкладок конденсатора, расстояния между ними, а также от диэлектрической проницаемости материала.

Светодиоды
Излучающий диод, работающий в видимом диапазоне волн, часто называют светоизлучающим, или светодиодом.
Излучение возникает при протекании прямого тока диода в результате рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода и в областях, примыкающих к указанной области. При рекомбинации излучаются фотоны.
Прохождение через p-n-переход тока в прямом направлении сопровождается инжекцией неосновных носителей: электронов в p-область и дырок в n-область. Инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями данной области полупроводника и их концентрация быстро падает по мере удаления от p-n-перехода в глубь полупроводника. У многих полупроводников рекомбинация носит безызлучательный характер: энергия, выделяющаяся при рекомбинации, отдается решетке кристалла, т. е. превращается в конечном итоге в теплоту.

Схематическое изображение структуры излучающего диода, его условное графическое обозначение (КПД ~ 10-70%). InAs, Sic, GAs.

Фоторезисторы
Фоторезистором называют полупроводниковый резистор, сопротивление которого чувствительно к электромагнитному излучению в оптическом диапазоне спектра.

Схематическое изображение структуры фоторезистора и его условное графическое обозначение

Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон-дырка, увеличивающих проводимость (уменьшающих сопротивление). Это явление называют внутренним фотоэффектом (эффектом фотопроводимости).

Фоторезисторы часто характеризуются зависимостью тока от освещенности при заданном напряжении на резисторе. Это так называемая люкс-амперная характеристика.

Люкс-амперная характеристика фоторезистора

Фотоэлементы с p-n-переходом
При освещении p-n-перехода в нем возникает э. д. с. Это явление используется в фотоэлементах с запирающим слоем, которые могут служить индикаторами лучистой энергии, не требующими внешнего питания, и преобразователями этой энергии в электрическую энергию.
Из p-полупроводника методом диффузии изготовляют тонкий слой, обладающий n-проводимостью. Между этим слоем и p-полупроводником образуется p-n-переход. При отсутствии света переход находится в равновесном состоянии и в нем устанавливается равновесный потенциальный барьер. При облучении перехода в p-области генерируются электронно-дырочные пары. Электроны, образовавшиеся в p-области, диффундируют к p-n-переходу и, подхватываясь контактным полем, перебрасываются в n-область. Дырки же преодолеть барьер не могут и остаются в p-области. Поэтому p-область заряжается положительно, n-область - отрицательно и в p-n-переходе появляется дополнительная разность потенциалов, приложенная в прямом направлении. Ее называют фотоэлектродвижущей силой.

Принципиальная схема фотоэлемента (КПД ~15%)

Фотодиоды
Фотодиод, как и фотоэлемент с запирающим слоем, представляет собой p-n-переход, включенный в цепь в запорном направлении, последовательно с внешним источником питания. При отсутствии светового потока через фотодиод протекает незначительный так называемый темповой ток. При освещении p-n-перехода вследствие генерации избыточных носителей обратный ток увеличивается пропорционально потокe, вызывая увеличение падения напряжения на нагрузочном сопротивлении. От фотоэлементов с внешним фотоэффектом фотодиоды выгодно отличаются малыми габаритами и весом, высокой интегральной чувствительностью и небольшим рабочим напряжением.
Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области р-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

<< Пред. стр. 1 (из 7) След. >>

Список литературы по разделу