Электротехническое и конструкционное материаловедение
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО «КАМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ (ИНЭКА)
РЕФЕРАТ по дисциплине: Электротехническое и конструкционное материаловедение.
ВАРИАНТ № 15
Выполнил: студент Салахов М,Х. гр4156-з Проверил: к.ф.- ЭиЭ доцент: Акст Е.Р.
Набережные Челны, 2012 г. |
СОДЕРЖАНИЕ:
- Диаграмма изотермического распада аустенита.
- Термическая диффузия.
- Эпитаксиальная и ионая легирование полупроводниковых материалов
- Газы с высокой электрической прочностью
Диаграмма изотермического распада аустенита
Диаграммы изотермического
распада аустенита описываю кинетику
процесса в координатах температура-
Диаграмма изотермического распада аустенита эвтэкоидной стали с обозначеним получаемых структур в зависимости от скорости охлаждения.
Условные обозначения:
П-перлит, С-сорбит, Т-тростит, М-мартесит, Аост.-аустенит остаточный,
Б-бейнит, Ввкз-верхняя кретическая скорость закалки.
Если аустенит переохладить ниже температуры А1, то процесс распада аустенита на феррит и цементит начнется не мгновенно, а через определенное время. Это время зависит от температуры и называется инкубационным периодом. В зависимости от температуры инкубационный период изменяется по кривой с максимумом. Этому есть следующее объяснение. Чем при более
низкой температуре протекает распад аустенита, тем энергетически он более выгоден, и, следовательно, скорость процесса должна увеличиться. Однако, с понижением температуры уменьшается скорость диффузии, что замедляет процесс распада. Наличием этих двух противоположно влияющих на скорость распада аустенита факторов (энергетического и диффузионного) и объясняется характер изменения инкубационного периода от температуры. Чем при более низкой температуре протекает распад аустенита, тем энергетически он более выгоден, и, следовательно, скорость процесса должна увеличиться. Однако, с понижением температуры уменьшается скорость диффузии, что замедляет процесс распада. Наличием этих двух противоположно влияющих на скорость распада аустенита факторов (энергетического и диффузионного) и объясняется характер изменения инкубационного периода от температуры.
На диаграмме применяют лагорифмическую шкалу времени, чтобы можно было показать и быстро протекающие процессы и медленно протекающие (от секунд до суток).
Левый максимум на диаграмме показывает время до начала распада аустенита при разных температурах, правый- время до конца распада.
Горизонтальная линия Мн - начало мартенситного превращения.
На диаграмму с некоторыми допущениями могут быть нанесены скорости охлаждения.
Выше температуры максимальной устойчивости аустенита (относительно малые скорости охлаждения) получаются структуры перлит, сорбит и тростит. Образование их происходит в мягком пластичном аустените. Поэтому напряжения при образовании новых фаз (феррита и цементита) очень малы и перлитные участки получаются округленной формы, но цементит в них пластичный.
Ниже температуры минимальной
устойчивости распад аустенита протекает
в упругой среде, и выделение
феррита и цементита
Структура эта называется бейнитом или промежуточной структурой и в рассматриваемой стали может получится только при изотермической выдержке. Различают верхний и нижний бейнит. Верхний бейнит образуется при температурах чуть ниже перегиба кривых и имеет твердость около 450НВ,
нижний образуется чуть выше начала образования мартенсита (Мн) и имеет твердость около 550НВ. Если скорость охлаждения достаточно велика и проходит левее максимума, то образуется структура закалки (М+Аост.).
Скорость охлаждения касательная
к максимуму называется верхней
критической скоростью закалки(
Верхняя критическая скорость закалки –
такая минимальная скорость охлаждения, при которой полностью подавляется диффузия, и не выделяются феррит и цементит.
Если скорость охлаждения проходит между максимами распада, то получается структура состоящая из мартенсита и тростита. Такая структура после закалки нежелательна (из-за понижения твердости) и получается, обычно, при недостаточно быстром переносе стали из печи в закалочный бак.
Диаграммы распада аустенита
для сталей различного состава приводятся
в справочниках. По ним можно определить
тип получаемой структуры при
различных скоростях
В заключение отметим, что в легированных сталях скорость распада аустенита замедляется за счет уменьшения скорости диффузии, кривые распада сдвигаются вправо, что позволяет получить мартенсит при меньших скоростях охлаждения.
Термодиффузия
Термодиффузия (термическая,
или тепловая, диффузия), перенос компонент
газовых смесей или растворов под влиянием градиента температуры
Т. в растворах была открыта нем. учёным К. Людвигом (1856) и исследована швейцарским учёным Ш. Соре (1879—81). Т. в растворах называется эффектом Соре. Т. в газах была теоретически предсказана английским учёным С. Чепменом и шведским учёным Д. Энскогом (1911—17) на основе кинетической теории газов и экспериментально обнаружена английским учёными С. Чепменом и Ф. Дутсоном в 1917.
В бинарной смеси при постоянном давлении в отсутствии внешних сил полный диффузионный поток вещества равен
ji = – nD12 gradci – n (DT/T) grad Т, где D12 — коэффициент диффузии, DT — коэффициент Т., n — число частиц смеси в единице объёма, ci = ni/n — концентрация частиц i-й компоненты (i = 1,2). Распределение концентрации в стационарном состоянии может быть найдено из условия ji = 0, откуда grad ci = – (kT/T) gradT, где кт= DT/D12 — термодиффузионное отношение, пропорциональное произведению концентраций компонент. Коэффициент Т. сильно зависит от межмолекулярного взаимодействия, поэтому его изучение позволяет исследовать межмолекулярные силы в газах.
ЛЕГИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
- дозированное введение в полупроводник примесей или структурных дефектов с целью изменения их электрич. свойств. Наиб. распространено примесное Л. п. Электрич. свойства легированных полупроводников зависят от природы и концентрации вводимых примесей. Для получения полупроводников с электронной проводимостью (n -типа) с изменяющейся в широких пределах концентрацией электронов проводимости обычно используют донорные примеси, образующие "мелкие" энергетич. уровни в запрещённой зоне вблизи дна зоны проводимости Для получения полупроводников с дырочной проводимостью ( р -типа) вводятся акцепторные примеси, образующие уровни вблизи потолка валентной зоны. Атомы таких примесей при комнатной темп-ре (300 К) практически полностью ионизованы (энергия ионизации эВ), так что их концентрация определяет концентрацию осн. носителей заряда, к-рая связана с проводимостью а полупроводника соотношением
для электронного типа проводимости и
для дырочного типа проводимости. Здесь п - концентрация электронов; р - концентрация дырок; е - заряд электрона; - подвижности электронов и дырок (см. Полупроводниковые материалы).
Для Се и Si донорами служат элементы подгруппы Va периодич. системы элементов (Р, As, Sb), акцепторами - элементы подгруппы IIIa (В, Al, Ga). Для полупроводников типа доноры - элементы подгруппы VIa (S, Se, Те), а также Sn. Акцепторы-элементы подгруппы IIа (Be, Mg, Zn, Cd). Примеси Si и Ge в полупроводниках типа в зависимости от условий получения кристаллов и эпитаксильных слоев могут проявлять как донорные, так и акцепторные свойства. В полупроводниках типа и тип и величина проводимости обычно регулируются отклонением от стехиометрич. состава, обеспечивающим заданную концентрацию собственных точечных дефектов ( вакансии, межузелъные атомы).
Перечисленные примеси, как правило, образуют в полупроводниках твёрдые растворы замещения и обладают высокой растворимостью (1018-1020 ат/см 3) в широком интервале темп-р. Растворимость их носит ретроградный характер и достигает максимума в Ge при 700-900 °С, в Si - при 1200-1350 0 С, в GaAs - при 1100-1200 0 С. Эти примеси имеют малые сечения захвата носителей, являются малоэффективными центрами рекомбинации и поэтому слабо влияют на время жизни носителей.
Примеси тяжёлых и благородных металлов (Fe, Ni, Сг, Mb, W, Сu, Ag, Au и др.) образуют "глубокие" уровни в запрещённой зоне, имеют большие сечения захвата носителей и являются эффективными центрами рекомбинации, что приводит к значит. снижению времени жизни носителей. Эти примеси обладают малой и ярко выраженной ретроградной растворимостью. Их используют для получения полупроводников с малым временем жизни носителей или с высоким удельным сопротивлением, достигаемым за счёт компенсации мелких энергетич. уровней противоположной природы. Последнее часто применяют для получения полуизолирующих кристаллов широкозонных соединений (GaAs, GaP, InP, используют примеси Fe, Ni, Cr). Основные характеристики наиболее распространённых примесей в важнейших полупроводниках даны в табл.
Методы легирования.
Л. п. обычно
осуществляют непосредственно в
процессах выращивания
При Л. п. необходимо
равномерное распределение
Радиационное легирование.
Доноры и акцепторы могут возникать в результате ядерных реакций. Наиб. важны реакции под действием тепловых нейтронов, к-рые обладают большой проникающей способностью. Это обеспечивает однородность распределения примеси. Концентрация примесей, образующихся в результате нейтронного облучения, определяется соотношением
где N0 - кол-во атомов в единице объёма полупроводника, - сечение поглощения тепловых нейтронов, С - содержание нуклида в естеств. смеси (в %), - плотность потока нейтронов, t - время облучения. Этот метод обеспечивает контролируемое введение примеси и равномерное её распределение. Однако в процессе облучения в кристалле образуются радиационные дефекты, для устранения к-рых необходим последующий высокотемпературный отжиг (кроме того, появляется наведённая радиоактивность, требующая достаточно длит. выдержки образцов после облучения). Л. п. методом облучения тепловыми нейтронами используется, напр., для получения высокоомных монокристаллов Si(P):
метод перспективен для легирования GaAs и др.
Диффузионный метод.
При создании структур с р-n -переходами используется диффузионное введение примеси. Профиль распределения концентрации примеси при диффузии имеет вид плавной кривой, характер к-рой определяется: темп-рой и временем проведения процесса, толщиной слоя, из к-рого осуществляется диффузия, концентрацией и формой нахождения примеси в источнике, а также сё электрич. зарядом и возможностью взаимодействия с сопутствующими примесями и дефектами. Из-за малых коэф. диффузии диффузионное Л. п. обычно проводят при высоких темп-рах (для Si при 1100-1350 °С) и в течение длительного времени. Оно, как правило, сопровождается генерацией значит. кол-ва дефектов, в частности дислокаций. Методом диффузии трудно получить тонкие легиров. слои и резкие р-n -переходы.
- дно зоны проводимости, -потолок валентной зоны.
В скобках указана темп-ра, соответствующая макс. растворимости.
Для получения тонких легиров. слоев используется ионная имплантация, позволяющая вводить практически любую примесь и управлять её концентрацией и профилем распределения. Однако в процессе ионного Л. п. возникают точечные дефекты структуры, области разупорядочения решётки, а при больших дозах - аморфизованные слои. Поэтому необходим последующий отжиг. Отжиг проводят при темп-рах, существенно более низких , чем при диффузии (напр., для 700-800 °С).
зованные и потенциальные преимущества ионного легирования позволяют: осуществлять процесс с высокой производительностью; создавать практически любые профили распределения за счет ступенчатого легирования; совмещать процесс легирования с другими технологическими процессами поверхностей обработки кристалла; получать прецизионное формирование профиля полупроводниковых структур. С другой стороны, ионное легирование имеет недостатки и ограничения. Есть определенные трудности в проведении процесса легирования, связанные с нарушениями, созданными ионной бомбардировкой, и окончательным местоположением внедренных ионов. Как правило, необходимо устранить эти нарушения в виде смещенных из узлов кристаллической решетки атомов полупроводниковой мишени и в то же время сделать внедренные атомы примеси электрически активными. Обычно это достигается частичным или полным отжигом. К другим ограничениям следует отнести трудность создания и воспроизведения глубоких легированных областей, сложность обработки больших полупроводниковых пластин из-за расфокусировки при существенных отклонениях ионных пучков.
Большое число регулирующих параметров процесса ионного легирования (доза, тип, энергия ионов, температура и среда отжига и др.) позволяют в широких пределах изменять свойства легированных слоев, но наряду с этим требуют глубокого физического понимания процессов внедрения ионов, их поведения в кристаллической решетке, кинетики образования и устранения радиационных дефектов, что необходимо для высококачественного технологического моделирования в конечном итоге эффективной реализации приборных структур и схем в интегральном исполнении. [5]
1. Физические особенности процесса ионного легирования
Процесс ионного легирования
Ионная имплантация – процесс
внедрения в твердотельную
Наиболее общим применением
ионной имплантации является процесс
ионного легирования
Процесс ионного легирования
После имплантации производят отжиг, задача которого – устранить радиационные нарушения и обеспечить электрическую активацию внедренных атомов.[1] [3]
5.3 Ионное легирование
Основной особенностью ионного легирования является возможность воспроизводимого получения заданной концентрации примеси на данной глубине практически на любой площади пластины. Это обусловлено тем, что можно с большой точностью задавать ток ионного луча. Возможно получение неглубоких однородно легированных слоев, а также резких р-n переходов. Распределениями примесей можно легко управлять в широких пределах, изменяя дозу облучения, энергию и угол падения ионов.
И онное легирование осуществляется путем бомбардировки пластины ионами примеси, ускоренными в специальных установках (ускорителях частиц) до значительной энергии. На схеме установки ионного легирования (рис 13) ионы примеси из источника ионов входят в анализатор по массе. Необходимость разделения ионов по массе вызвана тем, что вытягиваемый из источника поток ионов неоднороден по составу; в нем присутствуют ионы различных элементов и соединений и многозарядные ионы. Для разделения ионов по отношению массы к заряду применяют различные сепараторы, которые основаны на взаимодействии движущегося иона с магнитными и электрическими полями или с комбинацией этих полей. В большинстве установок сепараторами являются секторные магнитные системы, в которых происходит Поворот пучка ионов на угол менее 180° (например, 45°, 6О0 или 90°).
Ионы с определенным отношением массы к заряду входят в электростатический ускоритель ионов, к электродам которого от отдельного высоковольтного источника подводится напряжение, в отдельных установках до 200 кВ и выше. Ускоренные ионы через щель поступают в фокусирующую систему, а затем в сканирующую систему, которая обеспечивает перемещение сфокусированного пучка ионов по полупроводниковой пластине, расположенной в приемной камере. В установке обеспечивается необходимый высокий вакуум. Получаемый ток пучка ионов в различных установках составляет от десятков микроампер до нескольких миллиампер. Сканирование пучка в одном поперечном направлении механическое, а в другом электростатическое, площадь сечения пучка 1 ¸ 2 мм2. Число одновременно закладываемых в камеру пластин с диаметром 75 ¸ 150 мм в разных установках составляет 96 ¸ 24. Следует заметить, что глубина проникновения ионов, зависящая от их энергии, составляет 0,1 ¸ 0,5 мкм, т.е. очень мала и недостижима при диффузионном легировании. Это позволяет получать резкие профили (большие градиенты) распределения примеси.
Ионное легирование
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ
ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ ПРО́ЧНОСТЬ - минимальная
напряженность однородного электрического
поля Епр, при которой наступает
пробой диэлектриков . Электрическая прочность
зависит от материала диэлектрика , конфигурации
электродов, внешних факторов, качества
диэлектрика, типа воздействующего напряжения.
Электрической прочностью обладают все
газы, в том числе пары металлов, твердые
и жидкие диэлектрики.
При определении электрической прочности
для исключения теплового пробоя измерения
производятся, как правило, в импульсном
режиме, но импульсы напряжения должны
быть достаточно длительными, чтобы процессы,
приводящие к электрическому пробою, протекали
без перенапряжений. Такими процессами
являются ударная ионизация либо туннельное просачивание,
либо то и другое. При напряжениях выше
электрической прочности диэлектрик становится
проводником (когда напряженность электрического
поля Е достигает пробивной Епр,
электропроводность скачкообразно возрастает).
Переход в проводящее состояние часто
приводит к разрушению материала из-за
перегрева.
Электрическая прочность у газов, сравнительно
с прочностью жидкостей и твердых диэлектриков,
невелика и сильно зависит от внешних
условий и от природы газа. Обычно пробивные
характеристики разных газов сопоставляют
при нормальных условиях (н. у.). Эти условия
— давление 1 атм, температура 20 °С, электроды,
создающие однородное поле, площадью 1
см2, межэлектродный зазор 1 см. Воздух
при н. у. имеет электрическую прочность
3.104В/см. Коэффициент k, показывающий
отношение электрической прочности газа
к электрической прочности воздуха составляет
для некоторых газов, используемых в технике:
водород — k = 0.5, гелий — k = 0.2, элегаз к =
2.9, фреон -12 — k = 2.4, перфторированные углеводородные
газы k = (4—10).
Жидкие диэлектрики отличаются более
высокими значениями электрической прочности,
чем газы в нормальных условиях. Предельно
чистые жидкости получить очень трудно.
Постоянными примесями в жидкости являются
вода, газы и мельчайшие частицы твердых
веществ, наличие которых сильно влияет
на электрическую прочность жидкого диэлектрика.
Зависимость от влажности проявляется
при малой влажности, менее 0.01% и выражается
в резком уменьшении пробивного напряжения
с ростом содержания воды. Для чистых жидкостей,
как правило, наблюдаются три области
зависимостей электрической прочности
от температуры: при низких температурах
электрическая прочность падает по мере
роста температуры, затем очень слабо
меняется и вблизи температуры кипения
опять заметное падение.
В твердых диэлектриках чисто электрический
пробой имеет место, когда исключено влияние
электропроводности и диэлектрических
потерь, обусловливающих нагрев материала,
а также отсутствует ионизация газовых
включений. В случае однородного поля
и полной однородности структуры материала
пробивные напряженности при электрическом
пробое могут служить мерой электрической
прочности вещества. Такие условия удается
наблюдать у монокристаллов многих окислов,
щелочно-галоидных соединений и некоторых
органических полимеров. При этом Епр достигает
значений более 106В/м. Электрический
пробой наблюдается у большинства диэлектриков
при кратковременном (импульсном) воздействии
напряжения.
Тонкие пленки могут обладать существенно
более высокой электрической прочностью,
чем массивные образцы. Это свойство получило
название электрического упрочнения материалов.
Электрическая прочность — характеристика диэлектрика, минимальная напряжённость элек
Когда напряжённость электрического
поля превышает электрическую
Изменение электропроводности п
Прочность различных материалов
Электрическая прочность измеряется в вольтах на единицу расстояния (обычно В/см) и сильно варьирует с диэлектриком:
- Слюда, кварц и другиe твёрдые диэлектрики с хорошими изолирующими свойствами обладают прочностью до 106—107 В/см;
- электрическая прочность жидкого диэлектрика очень сильно зависит от его чистоты и также может достигать 106 В/см;
- электрическая прочность газов линейно зависит от давления и существенно — от толщины слоя в случае воздуха внормальных условиях с толщиной слоя 1 см электрическая прочность составляет приблизительно 3×104 В/см, у элегаза — в 2-4 раза выше.
Электрическая прочность измеряется с помощью коротких импульсов (чтобы результаты измерений не искажались тепловым пробоем).
Список литературы.
1. Ржевская С.В. Материаловедение: учеб. для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Логос, 2004. – 424 с.
2. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. - Л.: Энергоиздат, 1985. – 304 с.
3. Справочник
по электротехническим
4. Материаловедение.
Технология конструкционных
5. Колесник П.А., Кланица В.С. Материаловедение на автомобильном транспорте: учебник для студ. вузов. – М.: Академия, 2005. – 320 с.
6. Материаловедение: учебник для студ. вузов / Б.Н.Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.]; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. – 4-е изд., испр. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.
7. Материаловедение и технологические процессы в машиностроении: учеб. пособие для студ. по напр. "Технол., оборуд. и автоматизация машиностроит. пр-в" / С.И.Богодухов, А.Д.Проскурин [и др.]; под ред. С.И.Богоду-хова. – Старый Оскол: ТНТ, 2010. – 560 с.

- Электротравма
- Электротравма
- Электротравматизм и действие электрического тока на организм человека
- Электротравматизм и меры безопасности при эксплуатации
- Электротравмы
- Электротравмы
- Электротравмы
- Электротехника
- Электротехниканың теория негіздері
- Электротехника. Основные этапы ее развитая
- Электротехнические аппараты и аппараты электростанции
- Электротехнические материалы
- Электротехнические материалы, применяемые при изготовлении синхронного компенсатора серии КСВ
- Электротехнические стали