Сплавы алюминия. Ферромагнитные материалы. Применение германия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Алюминий и его сплавы

2. Процесс намагничивания ферромагнитных материалов

3. Применение германия в промышленности

1. Алюминий и его сплавы

Алюминий (Al)-это серебристо-белый металл, легкий и легкоплавкий, высокопластичный, обладает высокой электро- и теплопроводностью. По удельной электропроводности он занимает третье место после серебра и меди (р = 2,8-10~8 Ом*м), плотность алюминия плотность 2,7 Мг/м3, температура плавления Т = 657--660°С. Преимущество алюминия как проводникового материала заключается в том, что он дешевле и более доступен, чем медь. Масса алюминия меньше массы меди, при равных объемах, это свойство алюминия используется для облегчения электротехнических конструкций.

Алюминий -- самый распространенный в природе металл. Его массовая доля в земной коре составляет - 8,8%. Производство алюминия проходит следующие этапы: вначале из алюминиевой руды (бокситов Аl203осН20 или нефелинов K2OAl2O3-2SiO2 и др.) получают чистый глинозем Аl2О3, который растворяют в расплавленном криолите (Na3[AlF6]) и при -950°С путем электролиза выделяют алюминий. Выплавка (электролиз) алюминия -- очень энергоемкая операция: каждая тонна металла требует затраты электроэнергии около 16 тыс. кВт-ч. Первичная очистка алюминия заключается в продувке через его расплав хлора. Алюминий, поступающий на реализацию, обычно содержит 99,7% Аl. Путем электролитического рафинирования его чистоту можно довести до 99,99% и более.

Присутствие примеси в алюминии никеля, кремния, железа или цинка в количестве 0,5% снижает его электропроводность на 2-3%. Присутствие в алюминии того же количества магния, серебра и меди снижает его электропроводность на 5-10%.

Благодаря хорошей пластичности алюминий более поддается прокатке и волочению по сравнению с медью. Путем холодной прокатки или волочения путем наклепа получают твердый алюминий, который в свою очередь имеет более высокие характеристики в прочности и удельном сопротивлении. Эти свойства твердого алюминия (АТ) можно понизить в результате нагрева (рекрестализационого отжига при температуре 350-400 градусов Цельсия), так получают мягкий алюминий (АМ). Путем волочения и прокатки получают алюминиевую проволоку разного сечения как по форме так и по площади (0,8-10 кв. мм) или ленту и фольгу толщиной до 5-7мкм.

Промышленность выпускает алюминий следующих марок: АТП, AT, АПТ и AM -- соответственно твердая повышенной прочности, твердая, полутвердая и мягкая. Удельная электропроводность при 20°С особо чистого алюминия (99,997%), отожженного при 320°С в течение 3 ч, равна 38 МСм/м, соответственно .

Маркировка алюминия начинается с буквы А, затем идет цифра, указывающая содержание алюминия в сотых долях процента. Алюминий различают трех классов:

1) особо чистый -- марка А999 (AL не менее 99,999%);

2) химически чистый -- марки А995, А99, А97, А95, содержащие AL не менее 99,995, 99,99, 99,97, 99,95% соответственно;

3) технически чистый -- марки А85, А8, А7, А6, А5, АО, А, АЕ, содержащие AL не менее 99,85, 99,80, 99,70, 99,60, 99,50, 99,00, 99,00, 99,5% соответственно; его выпускают в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов и маркируют АД и АД1. Чем выше требуется чистота алюминия, тем сложнее технология его очистки и контроля и тем он дороже.

Оставшийся процент примесей в сплаве алюминия- это контролируемая примесь. В электротехнике применяют алюминий марок А7Е, А6Е, А5Е, АЕ, где буква Е указывает на его электротехническое назначение, а цифра на степень чистоты. Примесь не должна превышать 0,5%, а такая как Fe, Si и Си у алюминия высокой технической чистоты контролируется в каждой плавке и указывается в сертификате. Алюминий марки А97 применяют для изготовления фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов и других изделий.

Алюминий - активный металл. Благодаря своему сходству с кислородом, на воздухе он образует тонкую оксидную пленку, которая имеет высокое удельное сопротивление. В некоторых случаях толщину этого слоя увеличивают путем анодирования и этот слой используют в качестве изоляции при небольших напряжениях. Недостаток такой изоляции являлется ограниченая гибкость проволоки и её гигросокопичность. Алюминий по сравнению с другими металлами обладает отрицательным электродным (электрохимическим) потенциалом. Поэтому алюминий, находясь в гальванической связи с другими металлами, является анодом. Гальваническая пара при наличии влаги больше подвержена коррозии, поэтому места соединений алюминия и других металлов необходимо покрывать влагозащищенными составами.

Сплавы алюминия

Сплавы алюминия имеют более высокие пределы прочности на разрыв, износостойкость, нагревостойкость и удельного электросопротивления, но меньшим значением относительного удлинения предразрывом, чем чистый алюминий.

Алюминиевые сплавы можно условно разделить на конструкционные и электротехнические. Конструкционные сплавы -- на литейные сплавы и сплавы, деформируемые обработкой (деформируемые сплавы). Литейные сплавы алюминия маркируют двумя буквами АЛ и цифрой, обозначающей порядковый номер сплава. Наиболее известны сплавы алюминия с кремнием (и небольшими добавками Mg и Мп), их называют силуминами (например, АЛ2, АЛ4, АЛ9). Для получения мелкозернистой структуры и улучшения механических свойств в силумины добавляют 0,05--0,08% натрия. Такие сплавы называют модифицированными. К литейным алюминиевым сплавам относят сплавы следующих систем: А1--Si--Си (например, АЛЗ, АЛ5, АЛ6), А1--Си (например, АЛ7, АЛ19, АЛ21), А1--Mg (например, АЛ8, АЛ27, АЛИ). Эти сплавы обладают хорошими литейными свойствами, свариваемостью и удовлетворительными механическими свойствами.

Деформируемые сплавы алюминия подразделяют на сплавы, упрочняемые термической обработкой и сплавы не упрочняемые термической обработкой. Из неупрочняемых сплавово получают изделия путем штамповки, однако у них невысокая прочность. К ним относятся сплавы алюминия с магнием и марганцем в количестве 6%. (АМц, АМг2, АМг5), а так же сплавы с содержанием магния и кремния-сплавы АД31.

К алюминиевым деформируемым сплавам, упрочненным термической обработкой, относятся сплавы известные как дюралюмины и авиаль.

Дюралюмины - это сплавы системы Al-Cu-Mn; Mn введен для повышения коррозионной стойкости сплавов. Наиболее известные сплавы Д1, Д16, Д18. Они хорошо деформируются в горячем и в холодном состоянии. Для их упрочнения применяют закалку в воде и естественное старение (около 5 суток) Сплав д16 используют в строительных конструкциях средней и повышеной прочности,для обшивки и изготоволения некоторых элементов самолетов для кузовов грузовых автомобилей и т.д.

Сплавы авиаль (АВ) менее прочны, чем дюралюмины, за то обладают более высокой пластичностью как в горячем так и в холодном состоянии , хорошо свариваются и сопротивляются коррозии. Авиаль используют в легких конструкциях, где необходима их деформация при монтаже. Наиболее прочным алюминиевым деформируемым сплавом является В95, содержащий добавку Zn, однако он менее коррозионностоек, чем дюралюминий и не пригоден для работы при температуре свыше 150, так как ухудшается его механическая прочность.

Жаропрочные алюминиевые сплавы могут быть как литейными например, АЛ21), так и деформируемыми (например, АК4). Эти сплавы используют для изготовления деталей, работающих при 250--350°С. Повышенная жаропрочность достигается высоким содержанием Си, а также Мп, Mg и Ti.

Электротехнические сплавы алюминия. В соответствии с ГОСТ14838--78 для изготовления холоднотянутой электротехнической проволоки используют алюминий марки АД1 и алюминиевые деформируемые сплавы марок АМц, АМг2, АМг5П, Д1П, Д16П, Д18 и В65, где А обозначает алюминий, Мц -- марганец, Мг -- магний, Д -- деформируемый сплав, П -- сплав холодной высадки (разновидность пластической деформации), В -- высокопрочный деформируемый сплав. Все эти сплавы имеют определенный химсостав и алюминия не менее ~92%, легирующей примеси от 1,2 до 6,8% и естественной контролируемой примеси (Fe, Si, Си, Zn, Мп и Ti) от 0,75 до 1,75%. В зависимости от марки сплава изменяется от 0,02 до 0,0325 мкОм*м и св от 60 до 200 МПа.

Многие электротехнические сплавы алюминия содержат железо Fe и отличаются друг от друга различным его содержанием. Остальные элементы в этих сплавах представлены на более низком уровне. В этих сплавах содержание Si должно быть несколько большим, чем Mg. Магний, растворяясь в кристаллической решетке алюминия, сильно ее деформирует и тем самым увеличивает удельное сопротивление. При содержании Si больше, чем Mg, при дисперсионном твердении образуется и выделяется из твердого раствора химическое соединение Mg2Si. В результате кристаллическая решетка алюминия становится менее деформированной, поэтому удельная электропроводность повышается. Увеличение же числа фаз в сплаве за счет образования кристаллов химического соединения Mg2Si и выделения кристаллов Fe увеличивает суммарную удельную поверхность зерен и, следовательно, плотность дислокаций, что вызывает повышение предела прочности на разрыв, твердости и нагревостойкости. Введение в эти сплавы малых добавок Ti, В или Ni повышает коррозионную стойкость. Наиболее известен сплав альдрей, обладающий высокими механическими свойствами при небольшом удельном сопротивлении. Известны сплавы системы А1--Mg--Si с малыми добавками В, Zn, Zr, Be,Ag и других химических элементов.

2. Процесс намагничивания ферромагнитных материалов

Любой материал под действием внешнего магнитного поля приобретает магнитный момент, т.е. намагничивается. Ферромагнетизм является частным случаем парамагнетизма. Однако у ферромагнетиков в отличие от парамагнетиков магнитные моменты атомов расположены.

У ферромагнетиков, как и у парамагнетиков, магнитные моменты атомов (ионов) обусловлены некомпенсированными в них спиновыми магнитными моментами электронов. Однако у ферромагнетиков в отличие от парамагнетиков магнитные моменты атомов расположены не беспорядочно, а ориентированы параллельно друг другу (рис. 1) с образованием магнитных доменов.

Рис 1. а) парамагнетики; б) ферромагнетики

Магнитные домены представляют собой элементарные объемы ферромагнетиков, находящиеся в состоянии магнитного насыщения. В домене магнитные моменты всех атомов выстроены параллельно друг другу. Доменная структура образуется в отсутствие внешнего магнитного поля в результате самопроизвольной {спонтанной) намагниченности, которая происходит при температурах ниже некоторой, называемой точкой Кюри Тк. Для чистого железа Тк -- 768°С, никеля ГК = 358°С, кобальта Тк = 113ГС.

Разбивка всего объема ферромагнетика на множество доменов энергетически выгодна. Доменное строение ферромагнетиков является их характерной особенностью, которое и обусловливает специфику магнитных свойств: магнитное насыщение, гистерезис, магнитострикцию и др.

Процесс технического намагничивания магнитного материала сопровождается изменением его доменной структуры. В размагниченном образце направления спонтанной намагниченности доменов совпадают с осями легкого намагничивания. При приложении магнитного поля самым выгодным направлением технической намагниченности домена будет та его ось легкого намагничивания, которая составляет наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля. Важнейшей характеристикой ферромагнетиков является основная кривая намагничивания, описывающая зависимость магнитной индукции В (намагниченности М) от напряженности магнитного поля Н для предварительного размагниченного образца, а также зависимость магнитной проницаемости от Н и предельная петля магнитного гистерезиса.

Рис. 2

1 участок -- это область самых слабых магнитных полей ( характеризуется линейной зависимостью В от Н и постоянным значением .

На этом участке происходит увеличение объема доменов, векторы намагниченности которых совпадают или имеют меньший угол с векторами внешнего магнитного поля, рост объема домена происходит за счет отдельных доменов у которых этот угол больше. После снятия внешнего магнитного поля все домены, сместившие свои границы, возвращаются в прежнее состояние. Этот процесс называют процесс обратимого смещения границ доменов. На этом участке материал характеризуется начальной магнитной проницаемостью.

II участок -- область слабых магнитных полей -- характеризуется крутым подъемом В и при увеличении Н. В конце этого участка магнитная проницаемость проходит через максимум и представляет собой максимальную магнитную проницаемость . Величина является удобной характеристикой материала сердечников реле, дросселей, трансформаторов и др., работающих в полях повышенной напряженности (конец 2-- начало 3 участка). На этом участке границы доменов перемещаются на большие расстояния, а сам процесс перемещения границ доменов необратим, т.е. после снятия внешнего магнитного поля доменная структура не возвращается в исходное состояние, и образец сохраняет какую-то техническую намагниченность. Поэтому процесс намагничивания на этом участке называют процессом необратимого смещения границ доменов.

Переориентация магнитных моментов доменов происходит не постепенно, а скачкообразно. К концу этого участка границы доменов исчезают, и монокристаллический образец превращается в однодоменный, вектор намагниченности которого совпадает с направлением легкого намагничивания и составляет наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля. сплав алюминий ферромагнитный германий

III участок -- область средних полей -- характеризуется небольшим увеличением В и значительным уменьшением Процесс намагничивания на этом участке заключается в постепенном повороте вектора намагниченности образца до полного совпадения с направлением внешнего магнитного поля Н, поэтому его называют процессом вращения вектора намагниченности. В конце этого участка при Н = Hs намагниченность М материала достигает значения намагниченности технического насыщения Ms (М = Ms) или, можно сказать, что магнитная индукция В материала достигает значения индукции технического насыщения Bs (В = Bs). Магнитная проницаемость ц на этом участке значительно снижается, так как напряженность поля Н увеличивается, а магнитная индукция В изменяется незначительно.

IV участок -- область сильных магнитных полей -- характеризуется незначительным возрастанием индукции В с увеличением напряженности магнитного поля и приближением значения магнитной проницаемости к единице. Незначительное увеличение магнитной индукции В на этом участке происходит в результате парапроцесса, который заключается в гашении сильным магнитным полем дезориентирующего действия теплового поля.

Абсолютно строгую ориентацию всех спиновых магнитных моментов атомов внутри домена можно получить только при температуре абсолютного нуля, когда отсутствует дезориентирующее действие теплового движения. По мере повышения температуры, дезориентация спиновых магнитных моментов атомов возрастает. Дезориентирующее действие теплового движения компенсируется ориентирующим действием внешнего магнитного поля. В этом и заключается парапроцесс. Парапроцесс имеет место и в слабых полях, но здесь он перекрывается процессами смещения и вращения. В сильных полях, когда индукция В достигла значения индукции технического насыщения Bs (В = 2?5), парапроцесс проявляется более отчетливо.

В реальных ферро- и ферримагнетиках различные виды процессов намагничивания накладываются друг на друга. На процесс намагничивания, кроме того, влияют магнитострикция, механические напряжения, дефекты структуры и ряд других причин. дефекты структуры и ряд других причин.

Магнитный гистерезис. Если предварительно размагниченный образец подвергнуть намагничиванию до состояния технического насыщения, то с увеличением напряженности магнитного поля Н магнитная индукция В будет изменяться в соответствии с кривой ОАБ рис. 3 и в точке А при Н = Hs достигнет значения индукции технического насыщения, или индукции насыщения Bs (см. рис.3). Отрезок АБ является безгистерезисной частью зависимости В(Н). При уменьшении напряженности поля Н намагниченность образца уменьшается по кривой БАВ и при Н= О индукция В не будет равна нулю. Эта индукция называется остаточной и обозначается БАВ? с ней связано существование постоянных магнитов.

Для полного размагничивания образца к нему необходимо приложить поле определенной напряженности и противоположное по знаку. Напряженность такого поля называют коэрцитивной силой Нс. При дальнейшем возрастании отрицательного поля индукция тоже становится отрицательной и в точке А при Н = -Hs достигает значения индукции технического насыщения (В = -Bs). После уменьшения отрицательного поля, а затем увеличения положительного поля кривая перемагничивания опишет петлю, называемую предельной петлей магнитного гистерезиса, которая является важной технической характеристикой магнитных материалов.

Таким образом, предельная петля магнитного гистерезиса -- это кривая изменения магнитной индукции при изменении внешнего магнитного поля от +HS до -- Hs и обратно. Пользуясь предельной петлей магнитного гистерезиса, можно определить основные параметры материала: коэрцитивную силу Нс, индукцию насыщения Bs, остаточную индукцию Вг и др. Площадь этой петли пропорциональна работе, затрачиваемой на перемагничивание образца за один цикл; она пропорциональна потерям на гистерезис. Из рис. 3 видно, что в координатах В(Н) при Н< Hs (или В < Bs) проявляется целое семейство петель магнитного гистерезиса, заключенных одна в другую.

Поскольку ферримагнетики также обладают доменной структурой, поэтому рассмотренные процессы намагничивания и размагничивания (см. рис. 2 и 3) происходят в них аналогичным образом. Характеристикой магнитных материалов и как магнитная проницаемость зависит от суммарной удельной поверхности зерен, концентрации примеси и других дефектов кристаллической решетки магнитной анизотропии, магнитострикции, механических напряжений. Чем больше значения этих величин и меньше однородность структуры, тем больше Нс и меньше .

Рис. 4 предельная петля магнитного гистерезиса

Рис. 5. Зависимость коэрцитивной силы Нс трансформаторной стали от толщины h листа

Объясняется это тем, что поверхность зерен более дефектна, имеет более высокие внутренние напряжения кристаллической решетки, чем само зерно, которые при намагничивании препятствуют росту доменов и ориентации их магнитных моментов в направлении поля. В результате Нс возрастает, a снижается. С уменьшением размера зерен их суммарная удельная поверхность возрастает. Величину суммарной удельной поверхности зерен можно изменять механической и термической обработками материалов.

Образец ферромагнитного материала, подвергнутый закалке или пластической деформации в холодном состоянии (прокатке, волочению и т.п.), образует мелкозернистую структуру, а его кристаллическая решетка деформируется. Все эти изменения приводят к увеличению внутренних напряжений, плотности дислокаций и концентрации других дефектов; в результате Нс возрастает, а снижается. При закалке изменяются еще и структурные составляющие металла, что также вызывает увеличение Нс и уменьшение . При отжиге, наоборот, образуется крупнозернистая структура, решетка частично выпрямляется и соответственно Нс снижается, а возрастает. Коэрцитивная сила Нс листового ферромагнетика также увеличивается при уменьшении его толщины h (рис. 5), так как при уменьшении толщины h измельчается зерно и увеличивается суммарная удельная поверхность зерен, плотность дислокаций и концентрация других дефектов.

Таким образом, если точка Кюри и индукция насыщения Bs зависят только от химического состава магнитных материалов, то такие характеристики, как коэрцитивная сила Нс, магнитная проницаемость и площадь петли гистерезиса, являются структурночувствительными. Поэтому чем больше размер зерна (меньше суммарная удельная поверхность зерен) и более совершенна структура кристаллической решетки (меньше дислокаций, внутренних напряжений, примесей и других дефектов), тем меньше Нс и больше , а материал соответственно легче намагничивается и перемагничивается.

По величине коэрцитивной силы магнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Граница этого раздела по значению Нс условная. Материалы, у которых Нс < 4 кА/м, относят к магнитомягким, у которых Нс > 4 кА/м -- к магнитотвердым (ГОСТ 19693--74). Для магнитомягких материалов характерным является малое значение коэрцитивной силы; у промышленных образцов наименьшая Нс = 0,4 А/м. Поэтому они намагничиваются до индукции технического насыщения Bs при невысоких напряженностях поля. У магнитомягких материалов высокая магнитная проницаемость, малые потери на перемагничивание и узкая петля гистерезиса при высоких значениях магнитной индукции. Это легконамагничи- вающиеся материалы.

Магнитомягкие материалы применяют в производстве сердечников катушек индуктивности, реле, трансформаторов, электрических машин и т.п., работающих в постоянном и переменном магнитных полях. Для магнитотвердых материалов характерным является широкая петля гистерезиса с большой коэрцитивной силой; у промышленных образцов наибольшая Нс 800 кА/м. Магнитная проницаемость у них меньше, чем у магнитомягких материалов. У магнитотвердых материалов большая максимальная удельная магнитная энергия отдаваемая в пространство; она пропорциональна произведению наибольших значений В и Н на кривой размагничивания. Намагничиваются они с трудом, но зато длительное время сохраняют сообщенную энергию. Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов, в электрических машинах малой мощности, для записи и хранения цифровой, звуковой и видеоинформации и др. Термины «магнитомягкие» и «магнитотвердые» не являются характеристикой механических свойств материалов. Существуют механически мягкие, но магнитотвердые материалы и, наоборот, механически твердые, но магнитомягкие материалы.

3. Применение германия в промышленности

Благодаря прозрачности в инфракрасной области спектра металлический германий сверхвысокой чистоты имеет стратегическое значение в производстве оптических элементов инфракрасной оптики: линз, призм, оптических окон датчиков. Наиболее важная область применения -- оптика тепловизионных камер, работающих в диапазоне длин волн от 8 до 14 микрон. Такие устройства используются в системах пассивного тепловидения, военных системах инфракрасного наведения, приборы ночного видения, противопожарных системах. Германий также используется в ИК-спектроскопии в оптических приборах, использующих высокочувствительные ИК-датчики. Материал обладает очень высоким показателем преломления (4.0) и требует использования антибликового покрытия. В частности, используется покрытие из очень твердого алмазоподобного углерода, с показателем преломления 2.0.

Наиболее заметные физические характеристики оксида германия (GeO₂) -- его высокий показатель преломления и низкая оптическая дисперсия. Эти свойства находят применение в изготовлении широкоугольных объективов камер, микроскопии, и производстве оптического волокна.

Тетрахлорид германия благодаря своей высокой степени рефракции и низкому оптическому рассеиванию применяется в производстве оптоволокна.

Изменения оптических свойств при фазовом переходе сплава GeSbTe используется при производстве Перезаписываемых DVD.

Использование германия в радиоэлектронике

В радиотехнике, германиевые транзисторы и детекторные диоды обладают характеристиками, отличными от кремниевых, ввиду меньшего напряжения отпирания pn-перехода в германии -- 0.4В против 0.6В у кремниевых приборов. Кроме того, обратные токи у германиевых приборов на несколько порядков больше таковых у кремниевых -- скажем, в одинаковых условиях кремниевый диод будет иметь обратный ток 10пА, а германиевый -- 100нА, что в 10000 раз больше. В своё время германиевые полупроводниковые приборы использовались повсеместно в радиоприёмниках и других конструкциях. Например, схема JOULE (в отечественной радиотехнике известная как блокинг-генератор) позволяет питать трёхвольтовый светодиод от 0,6 В, если в ней применён кремниевый транзистор, и начиная всего с 0,125 В, если германиевый. В классификации радиоэлектроники по советскому ГОСТу кремниевые полупроводниковые элементы обозначались, начиная с буквы К или с цифры 2, а германиевые с буквы Г или цифры 1, например: ГТ313, 1Т308 -- германиевые высокочастотные маломощные транзисторы. Существует старая система обозначений, например, П210,213,214,217, и некоторые транзисторы «МПxx» -- также германиевые. В настоящее время кремниевые диоды и транзисторы полностью вытеснили германиевые, и они не выпускаются ни в одной стране мира. Найти их можно только в старых радиоаппаратах либо из запасов радиолюбителей тех лет.

· Теллурид германия издавна применяется как стабильный термоэлектрический материал и компонент термоэлектрических сплавов (термо-ЭДС 50 мкВ/К).

· Качер Бровина («генератор Бровина-Теслы») лучше работает на германиевых транзисторах.

· Германий широко применяется в ядерной физике в качестве материала для детекторов гамма-излучения.

Применение германия в медицине

Для медицинских нужд наиболее широко германий первыми начали применять в Японии. Испытания различных германийорганических соединений в опытах на животных и в клинических испытаниях на людях показали, что они в разной степени положительно влияют на организм человека. Прорыв наступил в 1967 г., когда доктор К. Асаи обнаружил, что органический германий, способ синтеза которого был ранее разработан в нашей стране, обладает широким спектром биологического действия.

Среди биологических свойств органического германия можно отметить его способности:

обеспечивать перенос кислорода в тканях организма;

повышать иммунный статус организма;

проявлять противоопухолевую активность

Так японскими учеными был создан первый препарат с содержанием органического германия «Германий - 132», использующийся для коррекции иммунного статуса при различных заболеваниях человека.

В России биологическое действие германия изучалось давно, но создание первого российского препарата «Гермавит» стало возможным только в 2000 г., когда финансы в развитие науки и, в частности, медицины стали вкладывать российские бизнесмены, понимающие, что здоровье нации требует самого пристального внимания, а его укрепление является важнейшей социальной задачей нашего времени.

Применение германия в производстве полупроводников

Полупроводник - это вещество с удельным сопротивлением от тысячных долей до миллионов омов на 1 см.

Рамки «от» и «до» очень широкие, но место германия в этом диапазоне совершенно определенное. Сопротивление сантиметрового кубика из чистого германия при 18°С равно 72 ом. При 19°С сопротивление того же кубика уменьшается до 68 ом. Это вообще характерно для полупроводников - значительное изменение электрического сопротивления при незначительном изменении температуры. С ростом температуры сопротивление обычно падает. Оно существенно изменяется и под влиянием облучения, и при механических деформациях.

Замечательна чувствительность германия (как, впрочем, и других полупроводников) не только к внешним воздействиям. На свойства германия сильно влияют даже ничтожные количества примесей. Не менее важна химическая природа примесей.

Добавка элемента V группы позволяет получить полупроводник с электронным типом проводимости. Так готовят ГЭС (германий электронный, легированный сурьмой). Добавив же элемент III группы, мы создадим в нем дырочный тип проводимости.

Германиевые диоды и триоды нашли широкое применение в радиоприемниках и телевизорах, счетно-решающих устройствах и в разнообразной измерительной аппаратуре.

P-n переход является основой полупроводниковых диодов, которые применяются для выпрямления переменного тока и для других нелинейных преобразований электрических сигналов.

Диод проводит ток в прямом направлении только тогда, когда величина внешнего напряжения (в Вольтах) больше потенциального барьера (в эВ). Для германиевого диода минимальное внешнее напряжение равно 0,3В, а для кремниевого 0,7В.

Когда диод начинает проводить ток, на нем появляется падение напряжения. Это падение напряжения равно потенциальному барьеру и называется прямым падением напряжения.

Все диоды обладают малым обратным током. В германиевых диодах он измеряется в микроамперах, а в кремниевых в наноамперах. Германиевый диод имеет больший обратный ток, так как он более чувствителен к температуре. Этот недостаток германиевых диодов компенсируется невысоким потенциальным барьером.

Как германиевые, так и кремниевые диоды могут быть повреждены сильным нагреванием или высоким обратным напряжением.

Германиевый диод имеет низкое прямое сопротивление, порядка 100 Ом, а его обратное сопротивление превосходит 100 000 Ом.

До 1965 г. большая часть полупроводниковых приборов делалась на германиевой основе. Но в последующие годы стал развиваться процесс постепенного вытеснения «экасилиция» самим силициумом.

Кремниевые полупроводниковые приборы выгодно отличаются от германиевых прежде всего лучшей работоспособностью при повышенных температурах и меньшими обратными токами. Большим преимуществом кремния оказалась и устойчивость его двуокиси к внешним воздействиям. Именно она позволила создать наиболее прогрессивную планарную технологию производства полупроводниковых приборов, состоящую в том, что кремниевую пластинку нагревают в кислороде или смеси кислорода с водяным паром и она покрывается защитным слоем SiO₂.

Вытравив затем в нужных местах «окошки», через них вводят легирующие примеси, здесь же присоединяют контакты, а прибор в целом тем временем защищен от внешних воздействий. Для германия такая технология пока невозможна: устойчивость его двуокиси недостаточна.

Размещено на Allbest.ru