Полупроводниковые матеріали в металлургии

Міністерство Освіти і Науки Украины.

Національна Металургійна Академія Украины.

Технологічний факультет.

Реферат.

на тему:

?Напівпровідникові материалы?

Підготувала ст.гр.МТ-97−2 Черних Е.С.

Перевірила професор Губенка С.И.

г. Днепропетровск.

2001 г.

1.Общие сведения.

3 2. Металлургия германію і кремнію 7 3. Применение полупроводников.

3.1.Тепловые опору (термисторы) 9.

3.2.Фотосопротивления 11.

3.3.Термоэлементы.

3.4.Холодильники і нагрівачі 12 Литература.

1.Общие сведения.

Напівпровідниками називають речовини, які мають електронної провідністю, займаної проміжне становище між металами і изоляторами.

Від металів вони різняться тим, що носії електричного струму у яких створюються тепловим рухом, світлом, потоком електронів тощо. джерелом енергії. Без теплового руху (поблизу абсолютного нуля) напівпровідники є ізоляторами. З підвищенням температури електропровідність напівпровідників зростає й при расплавлении носить металевий характер.

Напівпровідники — це нові матеріали, з допомогою яких протязі останніх десятиліть вдається вирішувати ряд надзвичайно важливих електротехнічних завдань. Нині налічується понад двадцять різноманітних галузей, які з допомогою напівпровідників дозволяються важливі питання експлуатації машин і немає механізмів, контролю виробничих процесів, отримання електричної енергії, посилення високочастотних коливань і генерування радіохвиль, створення з допомогою електричного струму тепла чи холоду, й у здійснення багатьох інших процессов.

До полупроводниковым матеріалам належить більшість мінералів, неметалеві елементи IV, V, VI груп періодичної системи Менделєєва, неорганічні сполуки (оксиди, сульфіди), деякі сплави металів, органічні барвники. Широко застосовуваними напівпровідниковими матеріалами є елементи IV групи періодичної системи Менделєєва — германій і кремній. Це речовини, кристаллизирующиеся в ґратам типу алмазу. Така ґрати є тетраэдр, за вершинами якого розташовані чотири атома, оточуючі атом, що у центрі тетраедра. Тут кожен атом пов’язані з чотирма найближчими сусідами силами ковалентної зв’язку, так як і кожен їх має чотири зовнішніх валентных электрона.

При температурах близько абсолютного нуля в ідеальному кристалі кремнію чи германію все ковалентные зв’язку заповнені, проте електрони пов’язані з атомами не можуть участь у процесі електропровідності. Щоб електрон міг проводити електричний струм, потрібно затратити деяку роботу щодо його звільнення з ковалентної связи.

Це відбувається за висвітленні кристала. Світло, як відомо, є потік частинок — фотонів, чи квантів світла. Якщо енергія фотона більше або дорівнює енергії розриву зв’язку, то електрон може бути вільним та зможе брати участь у процесі електропровідності. Тут відбувається перехід електронів з зовнішньої заповненою зони до зони провідності. У цьому замість минулого електрона в кристалі з’являється незаповнена зв’язок, яка то, можливо зайнята електроном з іншої якийнибудь зв’язку. Водночас у раніше заповненою зоні утворюється дірка. Таким чином, незаповнена зв’язок чи дірка може переміщатися по кристалу. Ця незаповнена зв’язок еквівалентна позитивної частинки, двигающейся по кристалу під впливом зовнішнього електричного поля. Насправді дірки уявити не можуть собою позитивно заряджених частинок. Вочевидь, що у ідеальному кристалі кількість дірок дорівнюватиме кількості вільних электронов.

З припиненням висвітлення електропровідність кристала почне зменшуватися, оскільки електрони, які звільнилися під впливом світла, розміщатимуться у зв’язках, тобто. відбудеться рекомбінація електронів і дірок. Цей процес відбувається закінчується протягом тисячних часток секунди чи менше (і кристал знову перестає проводити електричний струм. Явище, при якому виникає електричний струм під впливом світла кристалі, помещённом у зовнішнє електричне полі, називається фотопроводимостью.

Найменша енергія, що необхідно для перекладу електрона з заповненою зони до зони провідності, визначає собою величину енергетичного інтервалу між двома чи ширину забороненою зоны.

Для розриву валентных зв’язків за дуже низьких температурах необхідна енергія, рівна 1.2 ев (~0.1922 адж) для кремнію і 0.75 ев (~0.1201 адж) для германію. У світловому промені енергія фотонів значно вища: так, для жовтого світла вона становить дві ев (0.3204 адж).

Звільнення електронів може й іншим шляхом, наприклад при нагріванні кристала, коли енергія коливання атомів в кристалічною ґратам може збільшитися настільки, що зв’язку зруйнуються і електрони зможуть звільнитися. Цей процес відбувається також протікає із заснуванням дырок.

У ідеальних кристалах, де кількості електронів і дірок рівні, провідність називається власної. Оскільки удільне опір ідеальних кристалів напівпровідників залежить від температури, то величина його служити характеристикою даного напівпровідника. Опір ідеальних кристалів називають власним опором напівпровідника, наприклад, для кремнію при 300°К власне удільне опір одно 63 600 ом· см (636 ом· м), а германію за тієї ж температурі 47 ом· см (0.470 ом· м).

Ідеальні кристали, які містять ніяких домішок, трапляються вкрай рідко. Домішки в кристалах напівпровідників можуть збільшувати кількість електронів чи дірок. Встановлено, що одного атома сурми в кубічний сантиметр германію чи кремнію призводить до появи одного електрона, а з одного атома бору — до появи однієї дырки.

Поява електронної чи дырочной провідності під час введення в ідеальний кристал різних домішок відбувається так. Припустимо, що у кристалі кремнію одне із атомів заміщений атомом сурми. Сурма зовнішньому електронної оболонці має п’ять електронів (V група періодичної системи). Чотири електрона утворюють парні електронні зв’язку з чотирма найближчими сусідніми атомами кремнію. Залишившись п’ятий електрон рухатиметься близько атома сурми орбітою, як і орбіті електрона в атомі водню, але сила його електричного тяжіння до ядру зменшиться відповідно діелектричним проникності кремнію. Тому, щоб звільнити п’ятий електрон, потрібна незначна енергія, рівна приблизно 0,05 ев (~ 0,008 адж). Слабко пов’язаний електрон легко то, можливо відірваний від атома сурми під впливом теплових коливань ґрати при низьких температурах. Така низька енергія іонізації примесного атома означає, що при високих температурах близько -100°с, все атоми домішок в німеччини і кремнії вже ионизированы, а звільнені електрони беруть участь у процесі електропровідності. І тут основними носіями заряду будуть електрони, тобто. тут відтворена електронна провідність чи провідність n-типа (n — першу букву слова negative).

Коли «зайвий», п’ятий, електрон удалён, атом сурми стає позитивно зарядженим іоном, у яких чотири валентных електрона, як і все атоми кремнію, тобто. іон сурми стає заступником кремнію в кристалічною решётке.

Домішки, що зумовлюють виникнення електронної провідності в кристалах, називаються донорами. У кремнії і німеччини ними є елементи V групи таблиці Менделєєва — сурма, фосфор, миш’як і вісмут. Трёхвалентный атом домішки бору в ґратам кремнію веде себе інакше. На зовнішньої оболонці атома бору є лише три валентных електрона. Отже, бракує одного електрона, для заповнення чотири валентные через відкликання чотирма найближчими сусідами. Вільна зв’язок то, можливо заповнена електроном, перейшло із якоїсь інший зв’язку, цей зв’язок заповниться електронами наступній зв’язку і т.ін. Позитивна дірка (незаповнена зв’язок) може переміщатися по кристалу від однієї атома до іншого (при русі електрона у напрямі). Коли електрон заповнить відсутню валентну зв’язок, примесный атом бору стане негативно зарядженим іоном, який заміняє атом кремнію в кристалічною ґратам. Дірка буде слабко пов’язані з атомом бору силами електростатичного притягування й рухатиметься біля нього орбітою, як і орбіті електрона в атомі водню. Енергія іонізації, тобто. енергія, необхідна для відриву дірки від негативного іона бору, приблизно дорівнює 0,05 ев. Тому, за кімнатної температурі все трёхвалентные примесные атоми ионизированы, а дірки беруть участь у процесі електропровідності. Якщо кристалі кремнію є домішка трёхвалентных атомів (III група періодичної системи), то провідність ввозяться основному дірками. Така провідність називається дырочной чи провідності р (р — першу букву слова positive). Домішки, викликають дырочную провідність, називаються акцепторами. До акцепторам в німеччині і кремнії ставляться елементи третьої групи періодичної системи: галій, талій, бір, алюминий.

Кількість носіїв струму, які виникають за запровадження домішки кожного виду окремо, залежить від концентрації домішки і її іонізації у цьому полупроводнике. Проте оскільки більшість практично використовуваних домішок при кімнатної температурі повністю ионизировано, тому концентрація носіїв, створювана за цих умов домішками, визначається але їхні концентрацією й багатьох їх дорівнює числу уведених у напівпровідник атомів примеси.

Кожен атом донорной домішки вносить один електрон провідності, отже, що більше донорних атомів у кожному кубічному сантиметрі напівпровідника, тим більше коштів концентрація їх перевищує концентрацію дірок, і провідність носить електронний характер. Протилежне становище має місце при запровадження акцепторных примесей.

При рівної концентрації донорной і акцепторной домішок в кристалі провідність забезпечуватиметься, як та у власній полупроводнике, електронами і дірками рахунок розриву валентных зв’язків. Такий напівпровідник називається компенсированным.

Кількість електрики, стерпного дірками чи електронами, визначається як концентрацією носіїв, а й рухливістю електронів і дырок.

Найважливішою характеристикою, визначальною якість германію і кремнію в техніці напівпровідникових приладів, є величина ?, звана часом життя неосновних носіїв струму. Найчастіше? бажано мати максимальным.

Для використання германію і кремнію в напівпровідникових приладах (наприклад, сонячні батареї, перетворюючих світлову енергію в електричну) і інфрачервоної оптиці важливо знати коефіцієнт заломлення, отражательную спроможність населення і пропускання світла широкому діапазоні довжин волн.

Поруч із елементарними напівпровідниками в напівпровідникової техніці знаходять широке застосування напівпровідникові сполуки, одержувані шляхом сплавления чи хімічної обробки чистих елементів. Такі закис міді (Cu2O), з якої виготовляють напівпровідникові выпрямители різноманітних типів, сурьмянистый цинк (SbZn), використовуваний для виготовлення напівпровідникових термобатарей, теллуристый свинець (PbTe), знайшов застосування виготовлення фотоелектричних приладів та для негативною галузі термоэлементов і з другие.

Особливо цікаві сполуки типу АIIIВV. Отримують їх шляхом синтезу елементів III і V груп періодичної системи елементів Менделєєва. З сполук цього найцікавішими напівпровідниковими властивостями мають A1P, A1As, A1Sb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb. З властивостей ці сполуки близькі до полупроводниковым елементам IV групи германію і кремнію. Рухливість носіїв струму у яких сягає великих значень; ширина запрещённой зони в деяких із цих сполук також велика; домішки, запроваджувані у яких, змінюють механізм електропровідності; так, деякі атоми II групи поводяться як акцептори, а ряд атомів VI групи — як доноры.

Напівпровідникова техніка вимагає застосування аж надто чистих матеріалів. Домішки, як вже зазначено, змінюють властивості напівпровідників. Тому залежно від призначення матеріалів кількість домішок у яких обмежують. Легирующие добавки, запроваджувані в напівпровідники щоб надати їм певних властивостей, також мають бути чисті від примесей.

У сучасному техніці користуються поруч способів отримання матеріалів високої чистоти. Такі йодидный метод, застосовуваний очищення деяких металів, і метод зонного плавлення; обидва описані у розділі виробництва титану. Крім цих методів, очищення напівпровідникових матеріалів застосовують деяких видів їх переплавки.

Найпростішої є відкрита переплавляння в тиглі, установлюваному в електричної печі. Під час переплавлення порошкоподібного матеріалу зі нього видаляються волога, гази і окисли (останні спливають вгору). Деякі окисли затвердевают лежить на поверхні розплаву, що можна злити, пробиванням отвори в кірці окислов.

Більше повної є очищення, вироблена при переплавлянню в вакуумі. Матеріал, підлягає очищенні, завантажують в кварцову ампулу, яку вміщують у електричну піч. Відкритий кінець ампули з'єднують з вакуумної установкою, і відкачують котрі виділяються під час розплавлювання матеріалу гази і леткі сполуки. Відкачка триває від кількох основних хвилин за кілька годин залежно від часу плавки.

Високу ступінь чистоти напівпровідникових матеріалів отримують сублімацією чи сублімацією. Цей метод грунтується на здібності деяких твердих речовин переходити в парообразное стан, минаючи рідку фазу, потім у зворотному напрямку переходити з пароподібного в твердий стан, створюючи твёрдый продукт — сублимат. Такими властивостями мають деякі напівпровідники. Можливість сублімації визначається пружністю парів домішок чи чистого речовини при даної температурі. Напівпровідникові матеріали мають досить високою пружністю парів, що дає можливість виробляти возгонку при щодо низьких температурах і невеличкому вакуумі. Сублимат осаджується на стінках вертикально встановленого конденсатора, причому найбільш леткі домішки осідають у верхній зоні, найменш леткі - внизу, а труднолетучие залишаються у залишку. Через війну повторної сублімації отримують чистіший продукт.

Різні методи очищення напівпровідників дають можливість отримувати продукт необхідної чистоти. Приміром, зонної плавкою загрязнённого германію вдається знизити число атомів домішки у ньому до одного на 10 атомів германия.

2.Металлургия германію і кремния.

Німеччин належить до рідкісним розсіяним у природі елементам. Запаси їх у земної корі становлять 7· 10%. Атомний вагу германію 72,6, температура плавлення 958,5°С. виробляють його з відходів цинкового виробництва, пилу, одержуваної під час спалювання вугілля, германієвих концентратів, які з медно-свинцово-цинковых сульфідних руд і що містить германій пилу, вловлюється при мідної плавленні. Технологія отримання германію здійснюється шляхом перетворення двоокису в тетрахлорид германію, очищення останнього, і перетворення тетрахлорида в двоокис з наступним відновленням двоокису. Ці процеси можна рівняннями реакций:

GeO2+4HCl?GeCl4+2H2O.

При концентрації HCl>6n реакція зрушена вправо; при меншою концентрації - реакція протікає справа налево.

Температура кипіння отриманого тетрахлорида германію 83єC. Оскільки разом із в сконденсованої рідини є та інші сполуки, то його піддають ректифікації. Після цього тетрахлорид германію переводять їх у двоокис по уравнению.

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

Отриману чисту двоокис германію відновлюють в трубчастої електричної печі воднем. Відновлення протікає по реакции.

GeO2+2H2=Ge+2H2O,.

При температурі 600 °C, протягом 20−50 хв, після чого човник з відновлених германием пересувається до зони вищих температур і при 1000−1100°C відбувається сплавление.

Кремній — широко поширений елемент у природі. У земної корі його 27.6%. атомний вагу кремнію 28.06. температура плавлення 1415 °C, температура кипіння близько 2600 °C. Технологія отримання його відрізняється від технології отримання германію. Вихідний сировину як двоокису кремнію широко поширений у природі. З кремнезёма в дугових електричних печах шляхом поновити його вуглецем коксу отримують кремній чистотою до 97%. Відновлення протікає по уравнению.

SiO2+2C=Si+2CO.

Шляхом хлорування технічного кремнію отримують тетрахлорид кремнію. Найстарішим методом розкладання тетрахлорида кремнію є метод видатного російського хіміка академіка Н. Н. Бекетова. Метод цей можна уявити уравнением:

SiCl4+Zn=Si+2ZnCl2.

Тут пари тетрахлорида кремнію, киплячого за нормальної температури 57,6°C, взаємодіють із парами цинка.

Нині тетрахлорид кремнію відновлюють воднем. Реакція протікає по уравнению:

SiCl4+2Н2=Si+4НCl.

Кремній виходить в порошкоподібному вигляді. Застосовують і йодидный спосіб отримання кремнію, аналогічний описаного раніше йодидному методу отримання чистого титана.

Щоб самому отримати чистими германій і кремній, їх очищають від домішок зонної плавкою аналогічна тій, як отримують чистий титан.

Для цілого ряду напівпровідникових приладів предпочтительны напівпровідникові матеріали, одержувані як монокристалів, позаяк у поликристаллическом матеріалі мають місце неконтрольовані зміни електричних свойств.

При обертанні монокристалів користуються методом Чохральского, заключающимся наступного: в розплавлений матеріал опускають стрижень, на кінці якого є кристал цього матеріалу; вона є зародком майбутнього монокристала. Стрижень вибирають з розплаву з низькою швидкістю до 1−2 мм/мин. Через війну поступово вирощують монокристал потрібного розміру. З нього вирізають платівки, використовувані в напівпровідникових приборах.

Маркірування германію і кремнію роблять за буквенно-цифровой системі. Німеччин електронний, легований сурмою, позначають ГЭЛС. За літерами цифри вказують удільне опір ом· см (ом· м), і якщо два групи, як, наприклад, 0,3/0,2, то перші (0,3) означають удільне опір, а другі (0,2) — диффузионную довжину неосновного носія струму, мм. Кремній монокристаллический дырочный маркірують КМ-2, де цифра показує удільне опір ом· см; кремній монокристаллический електронний маркірують КМЭ- 2.

3.Применение полупроводников.

3.1.Тепловые опору (термисторы).

Зміна електропровідності напівпровідників під впливом температури дозволило застосовувати в приладах, робота них базувалася на використанні цього властивості. Напівпровідники використовують як термометрів для виміру температур довкілля. Вони чутливіші, ніж термометри опору, виготовлені з металу під назвою болометров і застосовувані в лабораторної практиці для виміру дуже високих чи самих низьких температур. Про температурі судять, заміряючи електричне опір болометра. Але точність виміру з допомогою цих приладів невелика, оскільки метали змінюють своє опір всього на 0,3% за кожен градус. Інше становище має місце під час використання напівпровідників. В окремих напівпровідників підвищення на 1 °C збільшує електропровідність на 3−6%, підвищення на 10° - приблизно 75%, а підвищення температури на 100 °C збільшує електропровідність в 50 раз. Завдяки високому питомій опору напівпровідників їх застосовують у ролі чутливих термометрів при дистанційних вимірах. Опір металевих дротів чи навіть дуже і завдовжки кілька кілометрів виявляється незначним проти опором термометра. Розміри напівпровідникових опорів може бути надзвичайно малими у кілька десятих часткою міліметра. Це знижує інерційність приладу, так як із малих розмірах опір швидко приймає температуру довкілля. Значне зміна електропровідності напівпровідників залежно від температури забезпечує точність измерений.

Напівпровідникові термометри опору під назвою термисторов широко застосовують у техніці. З їхньою допомогою контролюють температуру у великому числі точок, причому показання її можна отримати на приладах, встановлених щодо одного пункті. За такої контролі температурах помешканнях із допомогою термисторов можна підтримувати температуру на бажаному рівні, зокрема й вимикаючи нагрівальні прилади, коли поставлене рівень температури відхиляється від норми. Працюють вони за температурах до 300 °C (573°K). Термисторы можуть виконувати функції обмежника часу. І тому послідовно з полупроводниковым термосопротивлением включається те або інше активне электросопротивление. У результаті мережі виходить зростаючий згодом струм, оскільки струм розігріває напівпровідник і підвищило б його електропровідність, отже, підвищується, і величина струму у ланцюги. Принаймні розігріву напівпровідника опір падає, а струм підвищується ще більшою мірою. Паралельно зі зростанням температури збільшуються і тепла в довкілля до того часу, поки вони зрівняються тепло, виділеної струмом; стане досягнуто рівноважна температура, яку напівпровідник і зберігатиме, доки до нього прикладена дана різницю потенциалов.

Тривалість часу, який буде необхідний досягнення рівноваги і певного струму при даної різниці потенціалів, визначається розмірами зразка та умовами охолодження. Таке «реле» часу допускає регулювання у найширших межах. Можна підібрати умови те щоб цей час від часткою секунди до 10 хв. Після досягнення встановленого часу може здійснюватися автоматичне включення і вимикання систем висвітлення тих чи діючих установок.

Термосопротивления застосовують як регулятори температури, температурні компенсатори, в приладах для виміру витікання газу, для дистанційного виміру вологості, для виміру високого тиску, механічних напруг, швидкості чи кількості що протікають рідини, швидкість руху газів, для виміру великих ускорений.

При виготовленні термисторов користуються окислами різних металів, як-от CuO, Mn3O4, UO2, і навіть Ag2S. Хороші результати дають суміші напівпровідників, такі, як CuO+Mn3O4; Mn3O4+NiO; Mn3O4+NiO+Co3O4.

Речовини, використовувані виготовлення термосопротивлений, є мелкокристаллические порошки. Складаючи суміш, регулюють їх провідність, зумовлену іонами з різною валентностью. Це дозволяє задовольняти найрізноманітніші вимоги, що висуваються до термосопротивлениям залежно від своїх назначения.

Термосопротивления виготовляють пресуванням напівпровідникового порошку з наступним спеканием в тверду компактну масу, і навіть шляхом плавки напівпровідника щоб надати йому потрібної форми і дрібних розмірів. Виготовляють у вигляді кульок, стрижнів, дисків, шайб і чешуек.

Наша промисловість випускає різні типи термосопротивлений, серед найбільш распространёнными є: ММТ-1, ММТ-4, КМТ-1, КМТ-4, ММТ-8 і ММТ-9. У цих марках літери є умовним позначенням матеріалу термосопротивлений, а цифри — його конструктивного оформлення. Перші чотири з наведених опорів застосовують для вимірювання, і регулювання температури; як «реле» часу; для дистанційного виміру вологості повітря (за принципом психометра Ассмана); для виміру малих швидкостей руху, і теплопровідності газів, рідин й у інших целей.

Як змінних опорів без ковзаючого контакту в різних автоматичних схемах слабкого струму застосовують термосопротивления з непрямим підігрівом, обозначаемые ТКП-300, ТКП-20, що означає термосопротивление непрямого підігріву, на відміну ТП — термосопротивления прямого підігріву. Цифри вказують электросопротивление напівпровідника в омах за номінальної потужності, рассеиваемое в дедалі гострішої обмотке.

3.2.Фотосопротивления.

Переклад електронів у вільне належний стан або освіту «дірок» в полупроводнике може статися як під впливом тепла, а й у результаті інших напрямів енергії, як-от світлова, енергія потоку електронів, ядерних частинок. Збільшення кількості вільних електронів чи «дірок» проявляється підвищенням електропровідності і виникненням тока.

В багатьох напівпровідників зв’язок між електронами і атомами настільки незначна, що променистої енергії світла цілком достатньо перекладу електронів у вільне стан. Для жовтого світла енергія фотона становить дві электрон-вольта, а й у деяких напівпровідників переклад електронів у вільне стан відбувається під впливом кількох десятих часткою электрон-вольта. Таких напівпровідників підвищення провідності спостерігається навіть під впливом інфрачервоної частини спектра. Це дає можливість виявляти за багато кілометрів випромінювання, що йде від навіть слабко нагрітих тіл. Таке випромінювання має місце невеличке підвищення струму у ланцюги з відповідним полупроводником. Первинне слабке підвищення струму потім істотно зростає з допомогою підсилювачів, іноді навіть у мільйон раз. Це дає необхідний сигнал.

Підвищення електропровідності, викликане світлом, називається фотопроводимости, а засновані у цьому явище прилади називають фотосопротивлениями.

Підбирають фотосопротивления залежно та умовами опромінення, в яких їм доводиться працювати. Найбільш уживані матеріали для фотосопротивлений в видимої частини спектра — сірчистий кадмій, сірчистий талій, сірчистий вісмут, а інфрачервоних променів — сірчистий, селенистый і теллуристый свинец.

Фотосопротивления широко застосовують для сигналізації і автоматики, управління з відривом виробничими процесами, сортування виробів. З їхньою допомогою попереджають нещасні випадки і аварії у разі порушення ходу процесу, автоматично зупиняючи машины.

Фотоэлектрическое пристрій входить у дію від появи чи зникнення променів на фотосопротивлении чи різкої зміни їх інтенсивності, наприклад, у разі полум’я, наступі темряви, переривання луча.

Для контролю ходу процесу промінь світла направляють на фотосопротивление. Між джерелом світла, і фотосопротивлением перебуває або відбувається «покажчик», який свідчив про нормальному ході процесу. Таким покажчиком може бути вироби, безупинно рухомі на конвеєрної стрічці. Що стосується порушення нормального ходу процесу конвеєр може автоматично выключаться.

Фотосопротивление використовують із сортування виробів з їхньої забарвленні чи розмірам. Залежно через зміну розміру чи забарвлення вироби кількість світловий енергії, попадающей на фотосопротивление, може змінюватися, а водночас змінюється провідність і струм в полупроводнике. Це дає можливість спрямовувати відсортовані вироби в призначені для кожного їх места.

3.3.Термоэлементы.

Термоэлементы — прилади, у яких теплова енергія безпосередньо перетворюється на электрическую.

Засновані на явище Зеебека, полягає у цьому, що з нагріванні місця спая двох різнорідних металів в замкнутої ланцюга виникає электродвижущая сила. Явище Зеебека використовується давно для виміру температур з допомогою термопар. Для отримання електричної енергії з теплової металеві провідники непридатні, оскільки коефіцієнт корисної дії (к.п.д.) термоэлементов з дроту не перевищує 0,5%. З цією метою використовують напівпровідники, які дозволяють безпосередньо перетворювати теплову енергію у електричну й без участі будь-яких машин.

Коефіцієнт корисної дії термоэлемента, що складається з напівпровідників, сягає 7−10%, тобто. житлом становить к.п.д. таких машин, як паровози, у яких дорівнює 4−8%.

Термоэлементы створюють із напівпровідників з рі n-проводимостью, сполучених друг з одним металевої платівкою. Конструктивне виконання такого термоэлемента подібно з термоэлементом з металевих дротів. Прикладом хорошою пари є цинк — сурма і сірчистий свинець. При підігріванні місця «спая» напівпровідникових платівок в замкнутої ланцюга виникає электродвижущая сила. Поєднання таких окремих термоэлементов в батарею дає можливість отримувати постійний струм необхідного напруги в 120 і більше на; потужність більшості термогенераторов обмежена кількома десятками ватів. Нещодавно створено термогенератор потужністю 200 ут, проектуються ще більше мощные.

Батареї з термоэлементов з радиальным розташуванням окремих елементів, спаи яких поділяють думку центрі кола, служать щоб одержати електроенергії, що годує радиоустановки, у місцях відсутності електричної енергії. Спаи у разі підігрівають гасової лампою чи керогазом.

3.4.Холодильники і нагрівачі важливу особливість, що відкриває широкі перспективи застосування напівпровідників, є отримання з допомогою холоду та тепла більш вже економічними путями.

Таке використання напівпровідників грунтується на термоелектричних явищах, зворотних які спостерігалися в термоэлементах. Струм, що виникає в замкнутої ланцюга термоэлемента, відповідає гарячий спай і навпаки, підігріває холодний спай. При пропущенні ж струму через термоэлементы в напрямку виділяється тепло в гарячому спае і віднімається тепло від холодного. Один і хоча б спай двох провідників за одного напрямі струму нагрівається, а за іншого охолоджується. Користуючись цим, можна охолоджувати повітря холодильному шафі, куди помістили охлаждаемый спай металу. Для цього, у термоэлементе підтримують температуру нагреваемого спая, близьку до кімнатної, відводячи від цього яка теплоту в довкілля; у своїй інший спай значно охолоджується, а ще через нього охолоджується і навколишній воздух.

Застосовуючи цієї мети напівпровідники, що характеризують досить високої величиною к.п.д. термоэлемента, можна отримати холодильному шафі необхідні низькі температури. Наприклад, напівпровідники з сплавів вісмуту, селену, телуру і сурми забезпечують в термоэлементе різницю температур близько 60 °C, а сконструированном з допомогою таких напівпровідників холодильному шафі підтримується температура мінус 16 °C.

Цим самим явищем можна скористатися й у опалення будинків. Пропускаючи електричний струм через термоелектричну ланцюг, крім звичайного нагріву всього провідника, охолоджують один спай і нагрівають інший, тобто. переносять тепло від однієї спая до іншого. Академік А. Ф. Иоффе розрахував, скільки тепла буде цьому виділено. Від охлаждаемого спая віднімається певна кількість теплової энергии.

Q0=?T0It, де? — термоэлектродвижущая сила, в;

T0 — абсолютна температура холодного спая;

I — величина струму, а; t — тривалість проходження струму, сек.

Відповідно, у теплому спае, абсолютну температуру якого позначимо через Т1, виділяється теплова енергія Q1:

Q1=?T1It.

Ця теплова енергія Q1 більше теплоти Q0, в отношении:

Q1/ Q0= Т1/ T0.

Якщо обмежитися розглядом процесу обох спаях, їх можна описати так: електричний струм віднімає від холодного спая теплоту Q0 і передає теплому спаю більше тепла Q1, додаючи відсутню енергію як електричної енергії W. До теплоту Q0, отнимаемой від холодного спая, додається енергія W, з сумою їх Q0+W= Q1 виділяється на теплому спае.

З даних про величинах Q0 і Q1 видно, що безпосереднє відношення затрачиваемой електричної енергії W теплоти Q1, що звільняється на теплом спае, равно:

W/Q1=Q1 Q0/Q1=T1 T0/T.

Якщо абсолютна температура теплого спая Т1=300°, що він відповідає +27°C, а температура Т0=270° чи -3°C, то.

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

Звідси випливає, що з передачі у тепле приміщення за нормальної температури 2727°C100 кал тепла можна було б послуговуватись 90 кал, узятих від холодної середовища (наприклад, від зовнішнього повітря) і додати всього 10 кал рахунок электроэнергии.

Оскільки таке вилучення тепла із зовнішнього холодного повітря, або водного резервуара легко і доступний, виникає приваблива можливість, витрачаючи всього 10% від внесеного до приміщення тепла рахунок електроенергії, опалювати приміщення за рахунок извлекаемого зовні тепла. Але процес у термоелектричної батареї не лише виділенням і поглинанням тепла на спаях. Уздовж гілок самої термобатареи виникає потік тепла від теплого спая до холодного, який протидіє переносу тепла у напрямі, супровідному проходження струму. З іншого боку, частина електричної енергії перетворюється на тепло на обох гілках термоэлемента. У результаті наявності цих двох процесів використання електроенергії різко знижується; доводиться додавати не 10% електроенергії, а близько 60%; а й такого результату представляє значний інтерес: витрата електроенергії становить лише половини теплоти, що надходить у приміщення, а інша половина доставляється холоднішим зовнішнім повітрям чи проточній водою за температур, близьких до нулю.

Чим менший різницю Т1-Т0 проти Т1, тим вигідніше виявиться термоелектрична батарея проти електричної піччю сопротивления.

Термоелектрична батарея має та інших важливим перевагою. Якщо змінити напрям струму на протилежне, то, на зовнішніх спаях почне виділятися теплота Q0, а нагревавшие приміщення спаи забиратимуть теплоту Q1, прохолоджуючи приміщення. У спеку року вона ж термобатарея може охолоджувати повітря. Регулюючи величину і напрям струму в батареї, можна підтримувати у приміщенні однакову температуру за будь-яких температурах зовнішнього воздуха.

1.Д. А. Браун.-Новые матеріали у техніці. -Видавництво ?Вищу школу?, М.- 1965,194с.

2.Сидорин та інших. — Основи материаловедения.