Собственных носителей

I'm.-. 22.3. Конструкции литых деталей уменьшения собственных напряжений:

Образование сварочных деформаций и напряжений. Основными причинами образования собственных напряжений и деформаций в сварных соединениях и кон- , струкциях являются нерав- gJ1* номерный нагрев и охлажде- ^ -—т-ние металла при сварке, ш------------ , шптт№

1. Определение напряженного состояния в конструкции, т. е. определение величины и вида напряжений в элементах конструкций. Эти напряжения состоят из рабочих напряжений, возникающих от внешнего нагружения (вес груза, давление и др.) или связанных с условиями эксплуатации (например, температурные напряжения); собственных напряжений, возникающих при сборке, сварке и т. д.

Кроме перечисленных основных показателей свариваемости имеются еще показатели, от которых зависит качество сварных соединений. К. ним относят качество формирования сварного шва, величину собственных напряжений, величину деформаций и коробления свариваемых материалов и изделий.

Закономерности формирования химического состава металла шва изложены в разд. III «Физико-химические и металлургические процессы при сварке». Материал первых двух разделов дает описание тех физических и температурных условий, которые создаются над поверхностью металла и в самом металле в процессе сварки. В этом плане материал первых двух разделов представляет собой как бы описание того физического фона, от которого зависит протекание реакций, переход различных легирующих элементов в металл шва или их удаление и окисление. Вопросы защиты металла шва и массообмена на границе металл— шлак и металл — газ — центральные в разд. III. Эти процессы предопределяют химический состав металла шва, а следовательно, во многом и его механические свойства. Однако формирование свойств сварного шва, а тем более сварного соединения, определяется не только химическим составом металла. Характер кристаллизации шва во многом влияет на его свойства. Свойства околошовной зоны и в определенной мере металла шва существенно зависят от температурного и термомеханического циклов, которые сопровождают процесс сварки. Для многих легированных сталей и сплавов эта фаза формирования сварного соединения предопределяет их механические свойства. Процесс сварки может создавать в металле такие скорости нагрева и охлаждения металла вследствие передачи теплоты по механизму теплопроводности, которые часто невозможно организовать при термической обработке путем поверхностной теплопередачи. Образование сварного соединения сопровождается пластическими деформациями металла и возникновением собственных напряжений, которые также влияют на свойства соединений. Эти вопросы рассматриваются в IV, заключительном разделе учебника — «Термодеформационные процессы и превращения в металлах при сварке».

На рис. 11.10 показаны ре- a/wo зультаты расчетов компонентов ; собственных напряжений ах, ау, т оху, выполненных в указанной д выше последовательности и соответствующих экспериментально ~'60 определенным значениям собст- ~J?0 венных деформаций гх, гу, у*
Для получения более ТОЧНЫХ ные т^ напряжения при сварке количественных значений собственных напряжений следует закладывать в расчет вместо диаграмм идеального упругопласти-ческого материала реальные характеристики сопротивления металла деформированию с учетом истории нагружения и физических процессов, происходящих при сварке. Такие характеристики сопротивления деформированию в виде термодеформо-граммы получаются при воспроизведении термодеформационного сварочного цикла на образце (см. п. 11.3).

- концентрация в зоне сварного соединения различного вида неоднородностей со значительным градиентом этих не-однородностей: химической, структурной, фазовой; собственных напряжений и деформаций; геометрической, связанной как опасностью возникновения технологических концентраторов, так и наличием конструктивных концентраторов. Как следствие указанных видов неоднородности возникает неоднородность механических, электрохимических и физических свойств, что определяет повышенную чувствительность сварных соединений к воздействию эксплуатационных сред, особенно в условиях сложного напряженного состояния.

Наумова С. И., Волков С. Д., К теории спонтанного повреждения композита от релаксации собственных напряжений в связующем, сб. «Механизмы релаксационных явлений в твердых телах», Каунас, 1974.

Ниже показано, как с помощью расчетов можно устранить влияние собственных напряжений I рода.

Полученную величину е$т)ЫИ или е5^««?4,- можно измерять с помощью рентгеновских методов. Принципиальная схема метода показана на рис. 4. Смещения зависящих от е$т]<в<гй или еф^ы,- рефлексов Д#ф<в или AO-^vo) поверхности образца, где существует е$, различные для моно- и поликристалла в частном случае г\ = 0° и при наличии собственных напряжений I рода (если CTJ и ап являются

данных на основе германия и кремния. При массовом производстве торцевых магнитодиодов трудно осуществить обработку поверхности только одной боковой грани, поэтому все грани обрабатываются одинаково. Сопротивление таких магнитодиодов при обоих направлениях магнитного поля растет одинаково. В планарной конструкции магнитодиодов целесообразно увеличивать скорость рекомбинации носителей заряда, на стороне пластины, противоположной от контактов. Преимуществом германиевых магнитодиодов является высокая чувствительность при низких напряжениях (до 2 В), недостатком - зависимость чувствительности от температуры, причем для уменьшения чувствительности в 2 раза достаточно повысить температуру с 30 до 50 °С. Концентрация собственных носителей в кремнии на два-три порядка меньше, чем в германии. Это позволяет во столько же раз уменьшить концентрацию основных носителей и повысить магниточувствительность. Известны 5-магнитодиоды, имеющие вольт-амперную характеристику 5-типа и обладающие отрицательным дифференциальным сопротивлением. В качестве S-магнитодиодов используются 5-диоды, в которых образование обратной связи происходит за счет роста времени жизни и подвижности носителей заряда, так как именно эти параметры полупроводника наиболее чувствительны к магнитному полю.

данных на основе германия и кремния. При массовом производстве торцевых магнитодиодов трудно осуществить обработку поверхности только одной боковой грани, поэтому все фани обрабатываются одинаково. Сопротивление таких магнитодиодов при обоих направлениях магнитного ноля растет одинаково. Е$ планарной конструкции магнитодиодов целесообразно увеличивать скорость рекомбинации носителей заряда на стороне пластины, противоположной от контактов. Преимуществом германиевых магнитодиодов является высокая чувствительность при низких напряжениях (до 2 В), недостатком - зависимость чувствительности от температуры, причем для уменьшения чувствительности в 2 раза достаточно повысить температуру с 30 до 50 °С. Концентрация собственных носителей в кремнии на два-три порядка меньше, чем в германии. Это позволяет во столько же раз уменьшить концентрацию основных носителей и повысить магниточувствительность. Известны S-магнитодиоды, имеющие вольт-амперную характеристику 5-типа и обладающие отрицательным дифференциальным сопротивлением. В качестве 5-магнитодиодов используются S-диоды, в которых образование обратной связи происходит за счет роста времени жизни и подвижности носителей заряда, так как именно эти параметры полупроводника наиболее чувствительны к магнитному полю.

Область истощения примеси. По мере повышения температуры концентрация электронов на примесных уровнях уменьшается — примесные уровни истощаются. При полном истощении этих уровней концентрация электронов в зоне проводимости будет равна концентрации примеси, если концентрацией собственных носителей можно по-прежнему пренебречь: . •

Область высоких температур (область собственной проводимости). Высокими температурами считаются температуры, при которых происходит столь . сильное возбуждение собственных носителей, что их концентрация начинает значительно превышать концентрацию «примесных» носителей: п{ ^> япр = Nn. Поэтому концентрацию электронов в зоне проводимости можно считать равной nit а дырок в валентной — pt. Уровень Ферми в этом случае определяется соотношением (6.10), а концентрация носителей — соотношением (6. 12). 'На рис. 6.4, б, в показаны положение уровня Ферми и концентрация электронов в области собственной проводимости (область 3). Можно приблизительно определить температуру перехода к собственной проводимости Tt, если положить ц, в формуле (6.17) равным jv

Таким образом, произведение равновесных концентраций основных и неосновных носителей заряда в данном полупроводнике равно квадрату концентрации собственных носителей в этом полупроводнике. Это важное соотношение, широко используемое в теории полупроводников, называют законом действующих масс,

Полупроводники высокой степени очистки в области не слишком низких темрератур обладают электрической проводимостью, обусловленной наличием в них собственных носителей заряда — электронов и дырок. Эту проводимость называют собственной проводимостью полупроводников.

Область be простирается от температуры истощения примеси Ts .до температуры перехода к собственной проводимости Т,-. В этой •области все примесные атомы ионизированы, но .еще не происходит заметного возбуждения собственных носителей, вследствие чего концентрация носителей сохраняется приблизительно постоянной и равной концентрации примеси: п = Nn. Поэтому температурная зависимость проводимости полупроводника в этой области определяется температурной зависимостью подвижности носителей. ЕСЛ.И

Область cd соответствует собственной проводимости полупроводника. В этой области концентрация носителей заряда при достаточно высоких температурах практически равна концентрации собственных носителей. Поэтому проводимость полупроводника в этой области

Идеальный диэлектрик. Рассмотрение начнем с «идеального» диэлектрика, не содержащего примесей, способных захватывать электроны. Концентрация собственных носителей заряда в таком диэлектрике ничтожно мала. Поэтому, казалось бы, внешнее смещение не может привести к появлению в пленке электрического тока. Однако это не так. Внешнее напряжение V, приложенное к подобной структуре (рис. 10.7, а), практически полностью падает, на диэлектрике и именно на той его части, в которую не заходят слои обогащения, и создает в нем электрическое поле (в дополнение к внутреннему полю у контактов). Так как слои обогащения не имеют резкой гргшщы, то это означает, что обогащенный слой при-

Магнетосопротивление у облученных образцов уменьшается до нуля а коэффициент Холла становится положительным. На рис, 3.20 представлена зависимость Rx и р облученных образцов от температуры предварительной обработки. Измерения при 300 и 77 К показали, что Кх облученных образцов не зависит от температуры измерения, т. е. свободные носители заряда находятся в вырожденном состоянии. В этом случае легко рассчитать концентрацию «дырочных» носителей заряда. Она оказалась в 100 раз больше концентрации собственных носителей ^ заряда в исходных образцах. <*? Небольшое уменьшение электросопротивления после облучения у плохо графитирован-ных образцов связано с этим РИС-

Концентрация собственных носителей 3- 101в 2,5- 1.01»