Электронно-дырочный переход. Классификация переходов. Область пространственного заряда (ОПЗ)

Электронно-дырочный переход (или p-n переход) – контакт двух полупроводников с различным типом электропроводности (p и n).

Классификация переходов:

p-n переходы классифицируются по степени легирования p и n областей и по профилю легирования в области контакта:

1.Если концентрация легирующих примесей в областях p и n одинакова (Nа=Nд), то переход называется симметричным.

2.Если же Nа>Nд или Nа<Nд, то такой переход – несимметричный.

3.Если концентрация легирующих примесей в области контакта меняется скачкообразно, то такой переход называется резким (ступенчатым)

4.Если имеет место плавное изменение концентрации в области контакта, то такой переход называется плавным

При контакте p и n примесных п/п возникает диффузионное движение носителей заряда (электронов из n-области и дырок из p-области). Электроны, уходя из n-области оставляют за собой нескомпенсированный положительный заряд ионов донорной примеси, в свою очередь дырки оставляют отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. В результате в приконтактной области возникает обьемный или пространственный заряд неподвижных ионов примеси. Т.е. возникает область с малой концентрацией носителей заряда – Область Пространственного Заряда (ОПЗ). Т.к. ОПЗ имеет малую концентрацию свободных носителей заряда, то ее сопротивление по сравнению с другими n и p областями ВЕЛИКО!

Энергетическая диаграмма p-n-перехода. a) Состояние равновесия b) При приложенном прямом напряжении c) При приложенном обратном напряжении

3. Сплавы для резистивных устройств: нихромы, хромели, фехрали.

Нихро́м — общее название группы сплавов, состоящих, в зависимости от марки сплава, из 55—78 % никеля, 15—23 % хрома, с добавками марганца, кремния, железа, алюминия.

Первый нихромовый сплав разработан в США в 1905 году А. Маршем из Driver-Harris Company.

удельное электрическое сопротивление — 1,05÷1,3 Ом·мм²/м (в зависимости от марки сплава)

плотность — 8200-8500 кг/м³

температура плавления — 1100—1400 °C

рабочая температура — 800—1100 °C

удельная теплоемкость — 0,45 кДж/(кг·К) при 25 °C

предел прочности при растяжении — 0,65-0,70 Гпа

Нихром обладает высокой жаростойкостью в окислительной атмосфере (до 1250 °C), высоким удельным электрическим сопротивлением (1,05—1,4 Ом·мм²/м), имеет минимальный температурный коэффициент электрического сопротивления. Он имеет повышенную жаропрочность, крипоустойчивость, пластичность, хорошо держит форму. Нихром — дорогостоящий сплав, но, учитывая его долговечность и надёжность, цена не представляется чрезмерной.

Нихром широко используется:

· для изготовления нагревательных элементов в высокотемпературных электропечах, печах обжига и сушки, различных электрических аппаратах теплового действия;

· в качестве жаропрочного (жаростойкого) сплава и химически стойкого сплава в определенных агрессивных средах;

· в деталях, работающих при высокой температуре, резисторных элементах, реостатах;

· в качестве подслоя и жаростойкого покрытия при газотермическом напылении.

Высокая пластичность нихрома позволяет подвергать его сварке, точению, волочению, штамповке и другим видам механической обработки.

Хромель — сплав, состоящий из следующих элементов: хром — 8,7—10 %; никель — 89—91 %; кремний, медь, марганец, кобальт — примеси.

Свойства и параметры хромеля (сплав 90 % Ni, 10 % Cr)[1]
Параметр:	Значение:
Температурный коэффициент линейного расширения	13,1·10−6 K−1 (0-100 °C)
Удельное электрическое сопротивление	6,8·10−7 Ом·м
Механические свойства
Удлинение при разрыве	<44 %
Ударная прочность	108 Дж·м−1
Модуль упругости	186 ГПа
Прочность на разрыв	620—780 МПа
Физические свойства
Плотность	8,7 г·см−3
Температура плавления	1420 °C
Магнитные свойства	Парамагнетик, точка Кюри −120 °C
Тепловые свойства
Коэффициент термического расширения	15,7×10−6 K−1 при 800 °C
Максимальная рабочая температура в воздухе	1100 °C
Теплопроводность	17,6 Вт·м−1·K−1 при 20 °C 34,3 Вт·м−1·K−1 при 800 °C

Из сплава изготовляют проволоку для термопар, наиболее распространена термопара типа хромель-алюмель (ХА, в международной классификации тип К). Также используются термопары хромель-копель (ХК, международное — тип L).

Фехра́ль — сплав, состоящий из следующих элементов: Cr (12—15 %); Al (3,5—5,5 %); Si (1 %); Mn (0,7 %); остальное Fe.

Твёрдый, хрупкий сплав, с трудом поддающийся обработке, обладает высоким удельным электрическим сопротивлением (1,2—1,3 Ом·мм²/м). Плотность 7100-7300 кг/м³, температура плавления около 1450 °C. Наибольшая рабочая температура 1400°C (для Kanthal A1). Применяется для мощных электронагревательных устройств и промышленных печей, пуско-тормозных резисторов электровозов и моторвагонного подвижного состава.

Применение

Х27Ю5Т — для нагревательных элементов с предельной рабочей температурой 1350 °C в промышленных и лабораторных печах.

Х23Ю5Т — твёрдый, хрупкий сплав, с трудом поддающийся обработке, обладает высоким удельным электрическим сопротивлением (1,2-1,3 мкОм·м). Плотность 7100-7300 кг/м³, температура плавления около 1450 °C. Наибольшая рабочая температура 750—950 °C. Применяется для мощных электронагревательных устройств и промышленных печей. К недостаткам следует отнести общее свойство фехралей — рекристаллизационный порог в интервале температур 600—650 °C, что затрудняет использование данного сплава в термоциклическом режиме, а также невысокую пластичность.

Х15Ю5 — имеет плотность 7,1 г/см³, температура плавления около 1450 °C. Наибольшая рабочая температура 750—950 °C. Применяется для мощных электронагревательных устройств, производства блоков резисторов и элементов сопротивления.

GS23-5 (Х23Ю5Т-Н-Ви) — это улучшенный вариант сплава Х23Ю5Т. Благодаря введению специальной лигатуры удалось существенно улучшить его физические свойства, что существенно облегчает навивку спиралей. Выдерживает рабочие температуры до 1350 °C. К недостаткам следует отнести общее свойство фехралей — рекристаллизационный порог в интервале температур 600—650 °C, что затрудняет использование данного сплава в термоциклическом режиме.

GS T (Х23Ю5-Н-Ви) — широко используется в высокотемпературных электропечах, печах обжига и сушки, различных электрических аппаратах теплового действия. Оптимален для использования в производстве трубчатых электрических нагревателей (ТЭН) и бытовых приборах.

Мегапир-150 — широко используется для производства резистивных элементов, в электропечах и различных электрических аппаратах теплового действия.

Мегапир-200 — используется в высокотемпературных электропечах, печах обжига и сушки, различных электрических аппаратах теплового действия, а также для производства резистивных элементов.