Структура и основные свойства германия и кремния

24. Структура и основные свойства германия и кремния.

Кристаллический германий представляет собой твердый, хрупкий материал с  характерным металлическим блеском. Он относится к IV группе  периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.  Кристаллизуется германий в виде кубической решетки типа алмаза. Он обладает следующими свойствами.

Атомная масса германия m = 72,59. Рабочая температура полупроводниковых приборов на основе германия не превышает 80 °С. Собственное удельное электрическое сопротивление ρ = 0,68 Ом∙метр. Электропроводность германия зависит от температуры. При  низких температурах (Т < 5,4К) и высоких давлениях (P > 11 ГПа)  он переходит в сверхпроводящее состояние.

Плотность германия при комнатной температуре D = 5,35 г/см3.  Температура его плавления  составляет Тпл = 937°С. Температура кипения при давлении 760 мм рт. ст. Ткип = 2700°С.

С различными материалами германий реагирует по-разному. На воздухе кристаллический германий при температуре выше 600°C окисляется до двуокиси  германия Ge02. Вода на германий не действует. В соляной HCl,  азотной HNO3 и в холодной серной H2SO4 кислотах германий не  растворяется. Активно растворяют германий при комнатной  температуре царская водка (смесь соляной и азотной кислот), раствор перекиси водорода и различные смеси кислот. В  растворах кипящих щелочей КОН и NaOH германий хорошо  растворяется, а в холодных щелочах он плохо растворим. При температуре 1000-1100°C  расплавленный германий реагирует с водородом с образованием летучих веществ типа GeH4, GeH6. С хлором порошок германия  взаимодействует при комнатной температуре, а гранулированный  германий - при температуре 180°C.

Германий взаимодействует с сернистым газом SO2 при  температуре 500°C с образованием двуокиси и дисульфида германия. Германий не растворяет углерод даже при очень высоких  температурах. Даже при нагревании до температуры 1500°C германий не  взаимодействует с кварцем, поэтому в полупроводниковом  производстве широко используют графит и кварц для изготовления  разнообразной технологической тары.

Для видимого света германий не прозрачен, для инфракрасных лучей относительно прозрачен при длине волны более 1,8 мкм.

Кристаллический кремний представляет собой темно-серое твердое и хрупкое  вещество с металлическим блеском, химически довольно инертное. Как и германий, он кристаллизуются в сложную кубическую  пространственную решетку типа алмаза, в которой все атомы  расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. На внешней валентной оболочке атома  кремния расположены четыре электрона. Кремний обладает  следующими свойствами.

Атомная масса m = 28,08. Верхний  температурный предел работы кремниевых приборов достигает 200°С. Удельное электрическое сопротивление кремния с собственной электропроводностью ρ ≈ 2,3∙103 Ом∙метр, резко уменьшается при увеличении концентрации примесей. При низких температурах (Т < 6,1 К) и высоких давлениях (P > 12 ГПа) кремний переходит в сверхпроводящее состояние, т.е. удельное  электрическое сопротивление кремния уменьшается до нуля.

Плотность твердого кремния при комнатной температуре D = 2320 кг/м3, а жидкого при температуре плавления составляет D = 2530 кг/м3. Температура плавления Тпл = 1414°С. Температура кипения при давлении 760 мм рт. ст. Ткип = 2477 °С.

Взаимодействие кремния с другими материалами зависит от температуры. Кристаллический кремний при низких температурах химически инертен, при комнатной температуре он химически 

устойчив. При нагревании до температуры 200-700°C он соединяется с галогенами, образуя галогениды кремния (SiCl4, SiJ4, SiBr4, SiF4). На воздухе при нагревании до температуры 900°C кремний  устойчив, выше температуры 900°C он интенсивно окисляется с  образованием двуокиси кремния. При температуре 1100-1300°C кремний взаимодействует с азотом, образуя нитрид кремния Si3N4, и углеродом, образуя карбид кремния SiC. При очень высоких температурах (более 2000°С) кремний  взаимодействует с водородом, образуя силаны с общей формулой Si2nH2n+2.

Кремний хорошо растворим во многих расплавленных металлах, в воде не растворим. Не реагирует со многими кислотами в любой концентрации, однако хорошо растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот; менее интенсивно растворяется в азотной кислоте с небольшими добавками брома или перекиси водорода. Хорошо растворяется в кипящих щелочах, процесс растворения ускоряют добавки перекиси водорода к кипящему водному  раствору щелочи, еще более интенсивно кремний растворяется в расплавленных щелочах.

Кремний непрозрачен для видимого света, но для  инфракрасных лучей с длиной волны более 1,2 мкм чистый кремний становится прозрачным. Присутствие примесей увеличивает коэффициент поглощения электромагнитного излучения.

3. Тепловые характеристики радиоматериалов (нагревостойкость, теплопроводность, тепловое расширение, холодостойкость).

Нагревостойкость, теплопроводность, тепловое расширение и  холодостойкость являются основными тепловыми свойствами радиоматериалов.

Под нагревостойкостью понимают способность материала функционировать при повышенных температурах или при резкой смене температур без недопустимого ухудшения его свойств.

В зависимости от вида материала и условий его эксплуатации длительное или кратковременное воздействие повышенной  температуры способно вызвать различные изменения. Например, в зависимости от температуры линейные полимеры могут  находиться в стеклообразном, высокоэластичном или вязкотекучем  состоянии. В других случаях результатом воздействия повышенной  температуры является появление больших остаточных напряжений,

которые нарушают форму изделия или ухудшают его  механические свойства. У лаковых покрытий, например, при длительном  нагревании резко снижается эластичность.

У некоторых материалов при нагревании могут наблюдаться химическое разложение, интенсивное окисление, обугливание и даже горение. При длительном воздействии повышенной температуры могут наблюдаться изменения в результате медленно протекающих химических процессов – тепловое старение изоляции. У  трансформаторного масла старение проявляется в образовании продуктов окисления, у лаковых пленок - в повышении хрупкости,  образовании трещин и отслаивании от подложки. Тепловое старение  ускоряется при освещении образца ультрафиолетовыми лучами,  воздействии электрического поля, механических нагрузок и т.п.

Нагревостойкость определяется той температурой, при которой происходит недопустимое изменение эксплуатационных  характеристик материала. Для электроизоляционных материалов установлено семь  классов нагревостойкости (Y, A, E, B, F, H, G) и соответствующая им максимальная  рабочая температура (90°C, 105°C, 120°C, 130°C, 155°C, 180°C и выше 180°C соответственно).

Под теплопроводностью понимают способность материала проводить теплоту.

Теплота, возникающая при прохождении электрического тока в проводниках, окруженных диэлектрическим изолятором, передается изолятору. Вследствие диэлектрических потерь теплота выделяется в самом изоляторе. Суммарные тепловые потери проводника и  изолятора передаются в окружающую среду. От способности изоляции проводить теплоту зависят нагревание проводника и электрическая прочность изоляции. Особое значение имеет теплопроводность  сравнительно толстой изоляции в устройствах высокого напряжения.

Количественно теплопроводность оценивается коэффициентом теплопроводности γт, который определяется количеством теплоты, прошедшей через единицу площади в единицу времени при  градиенте температуры 1К/м.

Тепловое расширение - это свойство диэлектрика  изменять свои линейные размеры под действием температуры.  Тепловое расширение оценивается температурным коэффициентом линейного расширения TKl.

Холодостойкость - это способность электрической  изоляции работать при низких температурах без недопустимого  ухудшения эксплуатационных характеристик. При понижении температуры электроизоляционные свойства диэлектриков, как правило, повышаются. Однако ряд  механических свойств может ухудшаться. Органические диэлектрики в  области низких температур растрескиваются и теряют гибкость.

10. Что представляют собой пластмассы, из каких компонентов они состоят?

Пластмассами (пластическими массами) называют твердые или упругие материалы, состоящие полностью или частично из полимерных соединений. Пластмассы формуются в изделия  методом пластической деформации. В большинстве случаев пластмассы состоят из связующего  вещества и наполнителя. В их состав вводят пластификаторы, стабилизаторы и  красители.

Связующие вещества представляют собой сложные органические и неорганические химические соединения,  иначе называемые «смолы». В качестве органического  связующего вещества применяют натуральные и синтетические  термопластичные и термореактивные смолы (полимеры), кремнийорганические и фторорганические полимеры и другие материалы, обладающие способностью деформироваться при нагревании и давлении. В  отдельных случаях применяют и неорганические вещества (цемент, стекло и др.). Содержание связующего вещества в пластмассах  колеблется в пределах 30-60%.

Наполнители обладают способностью прочно сцепляться со связующим веществом. Некоторые из них придают пластмассам механическую прочность (древесная мука, асбест),  другие – теплопроводность (молотый мрамор, кварц), третьи усиливают диэлектрические свойства  (молотая слюда или кварц), четвертые повышают нагревостойкость (асбест, стекловолокно).

Введение наполнителей уменьшает объемную усадку пластмасс, однако повышает гигроскопичность и ухудшает их  электроизоляционные свойства, поэтому в пластмассах с высокими  диэлектрическими характеристиками наполнитель часто отсутствует.  Обычно пластмассы содержат 40-70% наполнителя.

Пластификаторы вводят в пластмассы для повышения  пластичности и холодостойкости, а также для предупреждения прилипания изделий к стенкам пресс-формы при прессовании. Однако большое количество пластификатора приводит к понижению  теплостойкости и механической прочности пластмасс.

В качестве пластификаторов применяют маслообразные  синтетические жидкости с высокой температурой кипения (стеарин,  олеиновую кислоту, сульфитную целлюлозу).

Стабилизаторы способствуют длительному сохранению пластмассами своих основных свойств.

Красители придают пластмассам определенную окраску. Так, чтобы получить темно-желтый или коричневый цвет, в пластмассу добавляют охру и кроп. С помощью додалина пластмассы приобретают красный цвет, нигрозин дает черную окраску, а зеленый бриллиант - зеленую.

19. Перечислить магнитные характеристики, по которым оцениваются магнитные свойства материалов.

Магнитные свойства материалов характеризуются петлей  гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью и потерями энергии при перемагничивании.

При циклическом изменении напряженности постоянного магнитного поля кривая изменения индукции имеет форму замкнутой кривой – петли гистерезиса. Для слабых полей петля имеет вид эллипса (рис. 1). При увеличении значения напряженности магнитного поля получают несколько заключенных одна в другую петель  гистерезиса.  Процесс намагничивания заканчивается  состоянием технического  насыщения  намагниченности материала. Петлю гистерезиса,  полученную при условии  насыщения  намагничивания, называют  предельной петлей гистерезиса.

                                                                      Рис. 1

Площадь гистерезисных петель характеризует рассеивание электрической энергии в процессе перемагничивания материала, то есть потери на гистерезис. Площадь гистерезисной петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты перемагничивания.

Важнейшей характеристикой магнитных материалов является кривая намагничивания. Она показывает зависимость намагниченности или магнитной индукции материала от напряженности внешнего поля. Магнитная индукция материала измеряется в теслах (Тл) и связана с намагниченностью формулой: Bl = µ0М, где µ0 – магнитная постоянная, равная 4π∙10-7Гн/м;                  М – намагниченность, А∙м.

Для характеристики поведения  магнитных материалов пользуются  понятиями абсолютной магнитной проницаемости µa и относительной магнитной проницаемости µ0:

µa = B/H; µ = B/(µ0H) = µa/µ0 , где µa - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м;                         µ0 – магнитная  постоянная, равная 1,257 мкГн/м.

Потерями энергии при перемагничивании называют необратимые потери электрической энергии, которая выделяется в материале в виде тепла. Потери на перемагничивание магнитного материала  складываются из потерь на гистерезис и динамических потерь.

Потери на гистерезис создаются на начальной стадии намагничивания. Потери энергии на гистерезис вычисляются по формуле: РГ = af, где а - коэффициент, зависящий от свойств и объема материала; f – частота тока, Герц.

Динамические потери PBT вызываются частично вихревыми  токами, которые возникают при изменении направления и напряженности магнитного поля: PBT = bf2, где b - коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления, объема и геометрических размеров образца. Потери на вихревые токи из-за квадратичной зависимости от  частоты поля превосходят потери на гистерезис на высоких частотах.

К динамическим потерям относятся также потери на  последействие РП, которые связаны с остаточным изменением магнитного состояния после изменения напряженности магнитного поля. Они зависят от состава и термической обработки магнитного  материала и проявляются на высоких частотах. Потери на последействие необходимо учитывать при использовании ферромагнетиков в импульсном режиме. Общие потери в магнитном материале: P = РГ + PBT + PП.