Подвижность носителей заряда

;

Подвижность прямо пропорциональна t_сп или средней длине свободного пробега l_сп. Длина l_сп тем больше, чем меньше дефектов содержит тот или иной полупроводниковый материал. С точки зрения практического использования полупроводников весьма важным является температурная зависимость подвижности. Оба параметра полупроводниковой структуры, т.е. эффективная масса m^*_n и время релаксации t_сп, являются температурно-зависимыми величинами. Однако в наибольшей степени эта зависимость проявляется для времени релаксации, которое в реальных полупроводниках определяется суммарной вероятностью рассеяния носителей заряда на всех дефектах кристаллической решетки. Как мы рассмотрели ранее, рассеяние носителей заряда может происходить:

на тепловых колебаниях решетки;
на ионизированных и нейтральных примесных атомах;
на дислокациях;
на поверхностных состояниях;
пустых узлах и т.д.
При достаточно высоких температурах (T³ 150⁰К) и сравнительно малых концентрациях примесных атомов преобладающим механизмом рассеяния является рассеяние на тепловых колебаниях решетки.
В области низких температур (T£ 50⁰К) в атомарных (атомных) проводниках, к которым относятся, в частности, Ge и Si, основную роль играет рассеяние на акустических колебаниях. При этом длина свободного пробега электронов не зависит от их энергии и уменьшается с повышением температуры пропорционально 1/T. Это связано с увеличением амплитуды тепловых колебаний, т.е. с увеличением вероятности процесса рассеяния.

В области более низких температур для полупроводников с низкими и средними уровнями легирования преобладающим механизмом рассеяния является рассеяние на примесных атомах и других дефектах кристаллической решетки полупроводника. Эти же механизмы рассеяния в наибольшей степени характерны также для высоколегированных полупроводников в диапазоне достаточно высоких температур. Если рассеяние происходит главным образом на заряженных центрах - донорных или акцепторных атомах, а точнее, ионах, то в невырожденных полупроводниках время релаксации возрастает пропорционально , т.к. с увеличением энергии электронов вероятность их рассеяния на таких центрах уменьшается. При рассеянии на нейтральных дефектах время релаксации не зависит от температуры. Обычно в области очень низких температур, при которых примесные атомы не полностью ионизированы, преобладающим механизмом рассеяния является рассеяние на нейтральных примесях или на акустических колебаниях кристаллической решетки. По мере возрастания концентрации ионизированной примеси ее роль становится преобладающей, причем подвижность С повышением температуры основным механизмом рассеяния в сравнительно слабо легированных полупроводниках становятся сначала акустические, а затем оптические колебания. В этом случае зависимость подвижности от температуры примерно следующая .

В целом температурная зависимость подвижности оказывается достаточно сложной, и только в сравнительно узком интервале ее можно аппроксимировать простой степенной функцией вида

где n - целое или дробное число, зависящее от вида полупроводникового материала и преобладающего механизма рассеяния.

Особый характер температурной зависимости подвижности наблюдается в так называемых компенсированных полупроводниковых материалах, которые одновременно содержат как донорные, так и акцепторные атомы. Концентрация заряженных центров в таких материалах не уменьшается до нуля даже при T®0⁰К, а остается равной удвоенной концентрации неосновной примеси. Например, при N_д> N_a и T®0⁰К в материале содержится N_a отрицательно заряженных акцепторных атомов и Nд положительно заряженных донорных атомов. В таких материалах рассеяние на ионизированных примесных атомах может преобладать вплоть до самых низких температур, пока основную роль не начнет играть механизм электропроводности по уровням примесной зоны.

Если используемый полупроводниковый материал является близким к идеальному, то в области обычных рабочих температур рассеяние носителей заряда обусловлено главным образом тепловыми колебаниями. Подвижность m в этой температурной области можно вычислить, если предположить справедливость закона аддитивности и независимости для каждого из двух основных механизмов рассеяния, т.е. результирующее значение m определяется правилом Матиссена

где m_r - подвижность относительно рассеяния на тепловых колебаниях кристаллической решетки;
m_I - подвижность относительно рассеяния на ионизированных примесных атомах.

Подвижность χ носителей зарядов указывает, какой путь проходит за одну секунду внутри полупроводника электрон или дырка при напряженности электрического поля, равной единице (Е=1 в/cм}. Величина подвижности электрона и дырки выра­жается вcм²/ceк∙ в.

Если обозначить количество электронов в одном кубическом сантиметре полупроводника буквой n_э, а дырок—буквой p_д, то проводимость γ полупроводника

γ = е(п_e χ _’+ p_д χ _д),

где е—заряд электрона, а следовательно и дырки, равный 1, 6- 10-¹⁹ к (кулон).

В случае собственной электропроводности полупроводника это выражение становится проще, так как в этом случае число свободных электронов равно числу дырок, т. е. n_э = p_д.

При движении под действием электрического поля электроны и дырки встречают различного рода препятствия, поэтому те­ряют часть энергии и рассеиваются, т е. отклоняются от направ­ления своего пути. Такие явления.получили название рассеяния носителей тока. Рассеяния создаются, в частности, примесями. Чем чище полупроводниковый материал, тем выше подвижность электронов и дырок. Повышение температуры обусловливает уменьшение подвижности, так как при этом усиливается тепло­вое движение атомов самого полупроводника и столкновения электронов с атомами учащаются. Однако с повышением темпе­ратуры проводимость полупроводника все же увеличивается, так как увеличивается число носителей зарядов, т. е. повышается концентрация электронов и дырок. В чистых полупроводниках, не имеющих примесей, собственная электропроводность при не­высоких температурах (комнатных) невелика. Поэтому в боль­шинстве технических полупроводниковых материалах желаемую величину проводимости можно получить лишь введением в них определенных примесей.

Кроме подвижности, носители электрических зарядов харак­теризуются и другими характеристиками, из которых наиболее важные — время жизни носителей τ (тау) и длина свободного пробега l. Время жизни—время существования электрона или дырки в свободном состоянии, а длина свободного пробега элект­рона есть расстояние, на котором электрон движется без столк­новений с собственными атомами или с положительно ионизиро­ванными атомами примесей — дырками. Далее стр.45, 46, 48
Теплопроводность полупроводников.
Полупроводниковые материалы весьма чувствительны к по­вышению температуры. Этим свойством отдельных полупровод­ников пользуются для создания термосопротивлений, которые можно применять для изменения температур или стабилизации температуры в различных установках. Такие полупроводники можно использовать также для изготовления из них термо­элементов или термогенераторов, превращающих тепловую энер­гию в электрическую. Действительно, если один конец электрон­ного полупроводника нагреть сильнее другого, то это вызовет перемещение электронов из горячего участка полупроводника (где их концентрация и энергия выше) в холодный участок. Тем самым в холодном участке создается преобладание отрицатель­ных электрических зарядов и он зарядится отрицательно, а горя­чий участок, наоборот, зарядится положительно. На концах по­лупроводника появится разность потенциалов — термоэлектро­движущая сила. В полупроводниках же с дырочной электропро­водностью горячий участок зарядится отрицательно, а холод­ный — положительно. Эти явления усиливаются, когда два различных полупроводника, соответственно подобранные, находятся в контакте друг с другом. Если создать из таких различных полу­проводников замкнутую цепь и пропускать через них электриче­ский ток от внешнего источника, то участок спая полупровод­ников будет или нагреваться или охлаждаться, в зависимости от природы полупроводников и направления электрического тока. Это явление используется для изготовления полупроводниковых холодильников, термисторов и других технических устройств. Особое значение теплопроводность полупроводников имеет при изготовлении п/п-х термоэлектрогенераторов. Иоффе установил, что к.п.д. термоэлемента тем выше, чем меньше теплопроводность и больше коэффициент термоэ, дс, и уд. электропроводность полупроводника. В полупроводниках перенос тепла осуществляется тремя механизмами: упругими колебаниями, движением свободных электронов и электромагнитным излучением – фотонами. Общая электропроводность складывается из 3-х составляющих: λ = λ _реш + λ _эл + λ _фот
Если измерять ток в полупроводнике при разных напряже­ниях, то можно заметить, что прямой зависимости между то­ком и напряжением здесь нет. Ток при повышении напряжения возрастает в полупроводнике значительно быстрее напряжения.

Это хорошо иллюстрируется вольтамперной характеристикой, показанной на рис. 16.9. Если при перемене напряжения на обрат­ное (—U), изменение направления тока в полупроводнике про­исходит по такому же закону, но в обратном направлении, то этот полупроводник имеет симметричную вольтамперную характери­стику (рис. 16.10).? Искусственно можно создать разные по вели­чине электрические сопротивления полупроводника в двух на­правлениях, а именно: при протекании тока в одном направлении сопротивление полупроводника может быть меньше, а при протекании

Рис. 16.9. Вольт-амперная характеристика полупроводника.

 

Рис. 16. 11. Несимметричная вольтамперная хара­ктеристика полупроводника

Рассмотрим примесный полупроводник.

В широком диапазоне температур и для различного содержания примесей имеют место температурные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа, показанные на 16.11 (рис.42.)

Рис. 16.11.

Область собстственной

Рис.16.12.Области собственной и примесной электропровод­ности в.зависимости от темпе­ратуры в полупроводнике

Проанализируем случаи:

а) N_Д1 - малая концентрация доноров. В области низких температур увеличение концентрации электронов при нагревании полупроводника обусловлено возрастанием степени ионизации доноров (участок 1-4). Каждый ионизированный донор можно рассматривать как центр, захвативший дырку.

Наклон прямой на участке 1-4 характеризует энергию ионизации примесей.

При дальнейшем повышении температуры при некоторой температуре (точка 4) все электроны с примесных уровней будут переброшены в зону проводимости. При этом вероятность ионизации собственных атомов полупроводника еще очень мала. Поэтому в достаточно широком температурном диапазоне (участок 4-6) концентрация носителей заряда остается постоянной и практически равной концентрации доноров. Этот участок называется областью истощения примесей.

При относительно высоких температурах (участок кривой за точкой 6) происходит переход в область собственной проводимости (перебросы электронов из валентной зоны через запрещенную в зону проводимости).

Крутизна кривой определяется DЭ - шириной запрещенной зоны.

Т_i - температура перехода к собственной электропроводности. Т_i для большинства полупроводников много больше Т_{комнатн}.

При повышении N_Д (N_Д2> N_Д1) кривые температурной зависимости смещаются вверх. Это следует из выражения (а). С повышением концентрации примесей уменьшается расстояние между атомами примесей. Это приводит к более сильному взаимодействию электронных оболочек примесных атомов и к расщеплению дискретных энергетических уровней в примесные зоны.

При достаточно большой концентрации N_Д3 их энергия ионизации DЭ_Д3=0, т.к. образовавшаяся примесная зона перекрывается зоной проводимости, т.е. такой полупроводник является вырожденным и способен проводить электрический ток при очень низких температурах.

Вырожденные полупроводники иногда называют полуметаллами.
При невысоких температурах полупроводника, в зависимости от валентности атомов примеси, в нем.можно ожидать примес­ную электропроводность — электронную или дырочную Рис. 16.12. При нагревании же полупроводника в нем будет значительно увеличиваться собственная электропроводность, при которой количества собственных свободных электронов и дырок равны.

Поэтому при высоких температурах преобладающей бу­дет собственная электропроводность, при которой действительны оба ее типа: п- и р-электропроводности. При этом исчезает раз­личие в электропроводности. Это означает, что если благодаря примесям германий при низких температурах имел преимуще­ственно дырочную электропроводность, то при высоких темпе­ратурах ее преобладание исчезает. График изменения величины удельной проводимости γ полупроводника в зависимости от тем­пературы показан на рис.16.12.
R, I

Рис.16.13. Зависимость сопротивления и тока в полупроводнике от на­пряжения.

 

Электрическое сопротивление полупроводниковых материалов не является величиной постоянной (как в металлических провод­никах), а зависит от величины прилагаемого к нему напряжения. Электрическое сопротивление полупроводников уменьшается с увеличением приложенного к ним напряжения, а ток увеличи­вается.

На рис. 16.13 показаны кривые зависимости сопротивления и тока в полупроводнике от приложенного к нему напряжения. Из рисунка видно, что падает, а ток резко возрастает. Полупроводник с несимметричной вольтамперной характеристикой в течение одной полуволны переменного напряжения будет пропускать ток, а в течение другой полуволны ток про­пускать не будет. Такие полупроводниковые материалы могут быть использованы для изготовления из них полупроводнико­вых выпрямителей.

Фотопроводимость
Весьма важным для использования полупроводниковых ма­териалов является тот факт, что некоторые полупроводники рез­ко повышают свою проводимость под действием световых излучений. Это вы­зывается тем, что световые излучения передают электронам, слабо закреп­ленным в атомах, определенные коли­чества энергии, достаточные для того, чтобы освободить их из атома. Это свой­ство полупроводников называется фотопроводимостью. Если такие полупро­водники приключить к внешнему источ­нику напряжения, то в темноте они бу­дут иметь меньшую проводимость, а на свету или при специальном осве­щении — значительно большую. Это свойство используется в фотосопротивлениях, чувствительных не только к видимому участку спектра, но и к инфракрасным излучениям.
Полупроводники с фотопроводимостыо можно использовать для создания фотоэлементов, преобразующих энергию светового излучения в электрическую. Если осветить часть полупроводника, то в освещенном и неосвещенном участке возникнет различная концентрация электронов, т. е. создается разность потенциалов-— фотоэлектродвижущая сила. На этом принципе работают раз­личные фотоэлементы и преобразователи солнечной энергии в электрическую — солнечные батареи.

 

 

УРОК № 22

Магнитные материалы.

Магнитные материалы, вещества, магнитные свойства которых обусловливают их применение в технике (электротехнике, вычислительной технике, электронике, радиотехнике и других областях). Hаибольшее применение находят магнитоупорядоченные вещества: ферро-, ферри- и антиферромагнетики. в состав которых входят некоторые элементы с незаполненными 3d-или 4f-электронными оболочками, атомы или ионы которых обладают магнитными моментами. К ферромагнетикам относятся в основномметаллы и сплавы Fe, Co и Сu, РЗЭ (Nd, Sm, Gd, Tb, Dy и др.), некоторые соединения Mn и Сr, например MnBi, MnAl, CrPt; к ферримагнетикам - ферриты-шпинели MFe₂O₄ (M - Fe, Ni, Со, Mn, Mg, Zn, Сu), ферриты-гранаты R₃Fe₅O₁₂ (R - РЗЭ), гексаферриты PbFe₁₂O₁₉, Ba₂Zn₂F₁₂O₂₂ и др., интерметаллические соединения RFe₂, RCo₅, RFe₁₄ и другие.

Магнитные материалы могут быть металлы (в основном ферромагнетики), диэлектрики и полупроводники (главным образом ферри- и антиферромагнетики).

Основная характеристика магнитных материалов - намагниченность М, которая определяется как магнитный момент единицы объема вещества. Единица намагниченности в СИ - А/м. Зависимость М от напряженности поля H для ферро- и ферримагнетиков определяется кривой намагничивания с петлей гистерезиса (рис.). Если напряженность поля достаточна для намагничивания образца до насыщения, соответствующая петля гистерезиса называют предельной; множество др. возможных петель, получаемых при меньших значениях H и лежащих внутри предельной петли, называют частными (непредельными). Если до начала действия внеш. поля образец был полностью размагничен, кривая зависимости М от H называют основной кривой намагничивания.

Кривые намагничивания и размагничивания ферромагнетика: Н - напряженность внеш. магнитного поля; М -намагниченность образца; Н_c - коэрцитивная сила; М_r - остаточная намагниченность; М_s - намагниченность насыщения; 1 - предельная петля гистерезиса; 2 - непредельная (частная) петля; 3 - начальная кривая намагничивания.

Другие важные параметры магнитных материалов: 1. Остаточная намагниченность М_r [или остаточная магнитная индукция В_r, единица измерения - тесла (Тл)]; количественно оценивается величиной намагниченности, сохраняющейся в образце после того, как он был намагничен внешнем магнитным полем до насыщения, а затем напряженность поля сведена до нуля. Величина М_r (В_r) существенно зависит от формы образца, его кристаллической структуры, температуры, мех. воздействий (удары, сотрясения и т.п.) и других факторов. 2. Коэрцитивная сила H_с; измеряется в А/м; количественно определяется как напряженность поля, необходимая для изменения намагниченности тела от значения М_r до нуля. Зависит от магнитной, кристаллографической и других видов анизотропии вещества, наличия дефектов. способа изготовления образца и его обработки, а также внеш. условий, например температуры. 3. Oтносительная магнитная проницаемость m; характеризует изменение магнитной индукции В среды при воздействии поля H; связана с магнитной восприимчивостью c соотношением: m = 1 + c (в СИ). В ферромагнетиках и ферритах m сложным образом зависит от H; для описания этой зависимости вводят понятия дифференциальной (m_диф), начальной (m_н) и максимальной (m_макс) проницаемостей. 4. Максимальная удельная магнитная энергия W_макс (в Дж/м³) или пропорциональная ей величина (BH)_макс на участке размагничивания петли гистерезиса. 5. Намагниченность насыщения М_s (или магнитная индукция насыщения B_s). 6. Кюри точка Т_K. 7. Уд. электрическое сопротивление r (в Ом • м). В ряде случаев существенны и др. параметры, например температурные коэффициенты остаточной индукции и коэрцитивной силы, характеристики временной стабильности основных параметров.

Из аморфных магнитных материалов наиболее распространены материалы на основе Fe, Ni, Со с аморфизующими добавками В, Р, С, Si, Ge, а также аморфные сплавы РЗЭ с Fe и Со. Аморфные Магнитные материалы получают из жидкой фазы сверхбыстрым охлаждением (скорость охлаждения св. 10⁵ К/с) либо осаждением из газовой фазы на холодную подложку. При нагревании до 300-450 °С аморфные магнитные материалы переходят в кристаллическое состояние. Композиционными магнитными материалами называют материалы, изготовленные из ферромагнитного металлического или ферритового порошка с диэлектрическим связующим(бакелитом, полистиролом. резиной. тальком. смолой, жидким стеклом. легкоплавкой стеклоэмалью и др.).

Для многих технических приложений, главным образом в электротехнике и радиоэлектронике, необходимы Магнитные материалы, обладающие большой величиной остаточной намагниченности. В зависимости от величины коэрцитивной силы различают магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы.

Магнитомягкие магнитные материалы намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно слабых магнитных полях (не св. 4 кА/м). Для них характерны высокие значения магнитной проницаемости (m_макс достигает 10⁶), узкая петля магнитного гистерезиса, малые потери энергии при перемагничивании.

Магнитомягкими магнитными материалами являются: 1) электротехническое железо и стали (низкоуглеродистые и кремнистые); 2) кристаллические сплавы на основе Fe-Ni - в т.ч. бинарные (пермаллои) и легированные Мо (суперпермаллои), Mn (муметалл), Сr, Ti, Nb, Сu, Аl (изопермы); на основе Fe-Co с добавками V (пермендюры); на основе Fe-Ni-Co с добавками Mn и Сr (перминвары); на основе Fe-Al (алферы, алфенолы) и Fe-Si-Al (алсиферы, сендасты и др.); 3) аморфные сплавы на основе Fe (типа 80% Fe, 20% В), Fe-Ni (типа 40% Fe, 40% Ni, 20% SiB), Co-Fe (типа 70% Co, 5% Fe, 10% Si, 15% B), Co-Zr, Co-Zr-Mo; 4) ферриты-шпинели, ферриты-гранаты, ортоферриты (со структурой перовскита); 5) композиты ферромагнитного металлического порошка (карбонильное железо, пермаллой. алсифер) с диэлектрическим связующим на основе смол (напр., шеллака), полистирола, жидкого стекла, талька и т.п. (магнитодиэлектрики).

Металлические магнитомягкие магнитные материалы обладают наибольшими значениями магнитной проницаемости (напр., у суперпермаллоя m_макс = 10⁶ при коэрцитивной силе H_с = 0, 3 А/м) и магнитной индукции насыщения (напр., у пермендюра B_s = 2, 4 Тл), температурной стабильностью свойств. Аморфные сплавы (обычно изготовляют в виде тонкой ленты) сочетают высокие магнитные свойства с хорошими прочностными характеристиками, коррозионной стойкостью, температурной и деформационной стабильностью. Ферриты и магнитодиэлектрики характеризуются сравнительно небольшими значениями магнитных характеристик (начальная магнитная восприимчивость m_н = 5.10⁴ - 2.10⁴, B_s = 0, 3-0, 5 Тл, H_с = 3.10³ А/м) и высоким удельным электрическим сопротивлением (r ~ 10¹⁴ Ом.м). Магнитные и электрические свойства ферритов можно регулировать изменением хим. состава, режимов спекания и термообработки.

Магнитомягкие магнитные материалы применяют для изготовления магнитопроводов, трансформаторов и магнитных усилителей, дросселей, реле, дефектоскопов, магнитных головок для видео- и звукозаписи, магнитных экранов, сердечников высокодобротных катушек индуктивности (в колебательных контурах, электрических фильтрах, элементах памяти и др.), линий задержки. Металлические магнитные материалы используют в основном для работы на частотах переменного поля до нескольких десятков кГц, т.к. из-за относительно низкого удельного электрического сопротивления при повышении рабочей частоты в них резко возрастают вихревые токи. Это приводит к снижению эффективного сечения магнитопроводов и повышению потерь на перемагничивание. Ферриты используют для работы на частотах до нескольких МГц. Композиционные Магнитные материалы применяют для создания экранирующих устройств от СВЧ полей; металлические компоненты материалов используют в виде пленок или мелкодисперсных порошков. Многокомпонентные слоистые материалы с ферромагнитной составляющей позволяют создавать поглотители полей с минимальными геометрическими размерами.

 

Магнитотвердые магнитные материалы (магнитожесткие, высококоэрцитивные Магнитные материалы) намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно сильных магнитных полях (св. 4 кА/м). Высококоэрцитивными магнитные материалы иногда наз. только Магнитные материалы с коэрцитивной силой Н_с > 20 кА/м. Магнитотвердые Магнитные материалы применяют как постоянные магниты, в качестве носителей магнитной памяти, в гистеррезисных двигателях, различных механических удерживающих устройствах, в узлах радиоаппаратуры и др.

Выделяют следующие группы магнитотвердых магнитных материалов:

1. Стали, закаливаемые на мартенсит (углеродистые, легированные Сr, W, Со). Они обладают сравнительно малыми H_с (4-12 кА/м) и W_макс (0, 6-1, 4 кДж/м³).

2. Диффузионно-твердеющие сплавы на основе Fe-Ni-Аl (ални) с добавками Со, Сu, Ti и др. Значения магнитных параметров этой группы магнитных материалов зависят от состава и наличия текстуры (кристаллографической, магнитной). В целом они характеризуются умеренными значениями Н_с (36-145 кА/м), высокими значениями В_r (0, 5-1, 4 Тл) и W_макс (3, 6-40 кДж/м³), наименьшими из всех магнитных материалов температурными коэффициентами основных параметров (температурный диапазон использования до 770 К); эти магнитные материалы хрупки, обрабатываются только шлифованием.

3. Дисперсионно-твердеющие сплавы Fe-Ni-Сu (кунифе), Co-Ni-Cu (кунико), Fe-Co-V (викаллой), Fe-Cr-Co и др. По своим магнитным свойствам они близки к диффузионно-твердеющим сплавам, но менее хрупки и подвергаются обработке давлением, а некоторые - и термомагнитообработке. Применение диффузионно-твердеющих и дисперсионно-твердеющих сплавов ограниченно из-за дефицитности ряда компонентов (особенно Со).

4. Сплавы с использованием благородных металлов (напр., Pt, Ir, Pd) с высокими значениями коэрцитивной силы (до 400 кА/м). Применение их также весьма ограниченно из-за высокой стоимости. Сплавы Co-Pt, однако, применяют для изготовления сверхминиатюрных магнитов, т.к. они обладают высокой пластичностью, допускающей холодную вытяжку в тонкую проволоку.

5. Бариевые и стронциевые ферриты с гексагональной кристаллической решеткой и кобальтовый феррит со структурой шпинели. Характеризуются сравнительно низкими значениями В_r (0, 19-0, 42 Тл), весьма высокими H_c (130-350 кА/м) и W_макс (3-18 кДж/м³), температурной стабильностью (вплоть до 700 К), высоким удельным электрическим сопротивлением. Последнее обусловливает их широкое применение при высоких частотах переменного поля. Достоинство всех магнитотвердых ферритов - высокое удельное электрическое сопротивление, позволяющее применять их при высоких частотах переменного поля. Доступность компонентов гексагональных бариевых и стронциевых ферритов, возможность автоматизации производства постоянных магнитов из них и невысокая стоимость обусловили широкое применение этих магнитных материалов в различных областях техники. Основной недостатки ферритовых магнитных материалов - высокая твердость, хрупкость, ограниченный температурный диапазон использования (230-500 К).

6. Интерметаллические соединения металлов группы железа с РЗЭ. Обладают очень высокой кристаллической анизотропией. Распространены бинарные сплавы " редкая земля - кобальт", например SmCo₅, квазибинарные соединения " 2-17" типа R₂(CoFe)₁₇. На основе таких сплавов разработаны магнитные материалы с рекордными значениями H_с (640-1300 кА/м) и W_макс (55-80 кДж/м³) при достаточно высоких В_r (0, 77-1, 0 Тл) и удовлетворит. характеристиках температурной стабильности. Недостатки этих Магнитные материалы - высокая твердость, хрупкость, дороговизна. Применяют их в основном в таких системах, где важно снижение массы и габаритных размеров магнитов. Разработаны также составы типа " редкая земля - железо - бор", например Nd₂Fe₁₄B, (YEr)₂Fe₁₄B. Такие магнитные материалы не только обладают высокими значениями магнитной энергии (BH)_макс но и значительно дешевле, чем SmCo₅.

7. Композиционные магнитные материалы на основе порошкообразных ферритов и интерметаллических веществ (5-я и 6-я группы) и связующего. Различают магнитопласты (связующее - пластическая масса) и магнитоэласты (связующее - каучук). Из-за сравнительно большого количества немагнитных компонентов эти магнитные материалы по своим магнитным параметрам хуже, чем материал исходного порошка, но они значительно более технологичны и позволяют изготовлять магниты сложной формы.

8. Материалы для магнитной записи, получаемые нанесением магнитных материалов в виде тонкой пленки или тонкодисперсногопорошка на немагнитную подложку. Используют порошки оксидов переходных металлов, ферритов или покрытия из сплавов Co-Ni, Co-Pt, Co-W, Co-Ni-P, Co-Ni-Cr, Со-Сr и др., получаемые вакуумным напылением, гальванопластическим или химическим осаждением. При создании таких магнитных материалов стремятся получить наибольшую В_r и умеренную Н_с (обычно 20-80 кА/м в зависимости от плотности записи, способа записи информации и т. п.). Перспективными материалами для магнитооптической записи информации являются высококоэрцитивные аморфные пленки на основе соединений типа " редкая земля -железо - кобальт" (Tb-Fe, Cd-Tb-Co, Tb-Gd-Fe-Co, Nd-Dy-Fe-Со); их коэрцитивная сила Н_с = (1 - 5).10⁵ А/м.

Специальные магнитные материалы обладают свойствами, которые обеспечивают им важные, но сравнительно узкие области применения. Магнитострикционные магнитные материалы - ферромагнитные металлы и сплавы, а также ферриты, обладающие достаточно большой магнитострикцией, т.е. изменением размеров образца при его намагничивании и размагничивании. Магнитострикционные материалы используют в излучателях и приемниках звука и ультразвука и в др. устройствах, преобразующих энергию электромагнитного поля в механическую и обратно. Магнитострикционными материалами являются: никель, НП2Т (Ni св. 98%), сплавы - пермендюр, 49 КФ (49% Со, 2% V, остальное Fe), алфер (12, 5% Аl, остальное Fe), никоей (4% Со, 2% Si, остальное Ni), керамич. ферриты-шпинели на основе Ni, Со, Сu. Перспективные магнитострикционные материалы - интерметаллические соединения типа RFe₂, где R - Y, Tb, Dy, например Тb_{0, 27}Dy_{0, 73}Fe₂. В приборостроении и измерительной технике широко применяют инварные сплавы с низким коэффициентом термического расширения и элинварные сплавы, обладающие малым температурным коэффициентом упругости. Такими свойствами обладают сплавы Fe-Ni, Fe-Pt, Fe-Ni-Co, Fe-Ni-Сr, Fe-Co-Сr.

Термомагнитные материалы - ферромагн. сплавы с сильной зависимостью остаточной намагниченности от температуры. Их применяют для компенсации температурных изменений магнитных потоков в приборах и реле, момент срабатывания которых зависит от температуры. К термомагнитным материалам относятся сплавы Ni-Fe-Cr, Ni-Cu (кальмаллои), Ni-Fe (термаллои) и др.

Магнитооптические магнитные материалы способны вращать плоскость поляризации света, прошедшего через образец или отраженного от него, и используются для управления световыми потоками (в лазерной технике и оптоэлектронике). Относительно прозрачные в ближнем ИК диапазоне ферриты-гранаты [напр., (YBi)₃Fe₅O_l2], ферриты-шпинели, ортоферриты и другие применяют в устройствах, предназначенных для пространственно-временной модуляции света. Непрозрачные магнитные материалы на основе интерметаллических соединений, например РЗЭ с элементами подгруппы железа, а также на основе MnBi, MnAs служат в качестве запоминающей среды в магнитооптических запоминающих устройствах.

СВЧ Магнитные материалы применяют в радиоэлектронике, для изготовления волноводов, фазовращателей, преобразователей частоты, модуляторов, усилителей и т. п. Специфические требованиями к магнитным материалам для СВЧ диапазона являются: высокая чувствительность к управляющему магнитному полю, высокое удельное электрическое сопротивление, малые электромагнитные потери, высокая температура Кюри. Наиболее распространены никелевые, никель-медно-марганцевые ферриты-шпинели, иттриевый феррит-гранат, легированный РЗЭ. Применяют металлические сплавы Fe-Ni, Fe-Al, Fe-Al-Cr. Их используют главным образом для создания поглотителей мощности в различных изделиях СВЧ техники. Композиционные СВЧ Магнитные материалы используют для создания экранов для защиты от СВЧ полей. Металлическими наполнителями являются Fe, Co, Ni, сплавы сендаст; связующими - различные полимерные смолы и эластомеры.

Жидкие магнитные материалы, или магнитные жидкости, представляют собой однородную взвесь мелких (10^-3-10^-1 мкм) ферромагнитных частиц в воде, керосине, веретенном масле, фторуглеводородах, сложных эфирах, жидких металлах. Магнитные жидкости применяют для визуализации структуры постоянных магнитных полей и доменной структуры ферромагнетиков, в качестве рабочей среды магнитоуправляемых поляризационных светофильтров, а также при создании гидромеханических преобразователей и излучателей звука. Изучаются проблемы, связанные с использованием магнитных жидкостей в биологии и медицине, например для управляемого рентгеновского контрастирования полых органов, создания депо лекарственных препаратов, локального повышения температуры.

 

 

УРОК №23

⇐ Предыдущая13141516171819202122Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Неполноценное дыхание и плохая подвижность диафрагмы - причины наших болезней
2. Нетипичные формы систематизации законодательства (учет, консолидация, систематизация при помощи электронных носителей).
3. Нетипичные формы систематизации законодательства (учет, консолидация, систематизация при помощи электронных носителей).
4. Подвижность - инертность нервной системы
5. Подвижность нижних краев легких (в см)