К полупроводниковым относятся материалы, имеющие, как металлы, электронную проводимость, но отличающиеся от них своими особенностями. По значению электропроводности они занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками; их удельная проводимость равна 10-1... 10-8 Ом-1• см-1. и значительно зависит от примесей. Температурный коэффициент у полупроводников в большинстве случаев отрицателен, но может быть и положительным, а у металлов (проводников) он положителен. К полупроводниковым материалам относятся селен, кремний, германий, а также обширный класс окислов, сульфидов и карбидов металлов.
Полупроводниковые системы могут быть использованы для преобразования различных видов энергии в энергию электрического тока — солнечные батареи, термоэлектрические генераторы и т. п. При помощи полупроводников можно получить охлаждающие установки, нагревательные элементы, измерить напряженность магнитного поля (преобразователи Холла).
Управляемость электропроводностью полупроводников посредством температуры, света, электрического поля, механических усилий положена в основу принципа действия соответственно терморезисторов (термисторов), фоторезисторов, нелинейных резисторов (варисторов), тензорезисторов и т. д. Полупроводниковым приборам присущ ряд достоинств: большой срок службы, малые габариты и масса, простота и надежность конструкции, большая механическая прочность (не боятся тряски и ударов) отсутствие цепей накала, малое потребление мощности, малая инерционность и экономичность при массовом производстве.
Развитие электроники привело к созданию узлов электронной аппаратуры и схем устройств и приборов в целом — микроэлектроники. Появились сложнейшие кибернетические системы, используемые в народном хозяйстве, в освоении космоса, при исследованиях в области биологии и медицины. Происходит дальнейшее уменьшение размеров и массы электронной аппаратуры, увеличение плотности монтажа при повышении надежности и долговечности, сокращается потребность в материалах, трудоемкости и капитальных вложениях.
Кратко рассмотрим характеристики некоторых наиболее распространенных полупроводниковых элементов и их применение в электромашиностроении.
Полупроводниковые элементы и выпрямители
Полупроводниковые сухие выпрямители переменного тока выполняются, как правило, селеновыми, кремниевыми и германиевыми.
Селеновые выпрямители имеют плотность тока 0,2...0,3 А/см2; эффективное напряжение на пластину 16... 18 В, к. п. д. до 90%, небольшую массу, довольно продолжительный срок службы (10 000 ч и более). Селен нашел применение для изготовления выпрямителей, зарядки аккумуляторов, питания цепей возбуждения синхронных машин и изготовления фотоэлементов.
Кремниевые и германиевые выпрямители наиболее совершенны, они выпускаются на плотность тока до 100 А/см2, обратное напряжение их достигает 220...300 В, к. п. д. 97...98%, масса в десятки раз меньше массы селеновых выпрямителей. ,
Промышленность выпускает на основе кремния полупроводниковые диоды, транзисторы, фотоэлементы, тензопреобразователи и твердые схемы микроэлектроники. Рабочая температура приборов на кремниевой основе может составлять 120...200°С (393...473 К).
Германий применяется для изготовления выпрямителей переменного тока различной мощности, транзисторов разных типов, преобразователей Холла и др. Рабочий диапазон температур германиевых приборов от —60 до +70°С (от 213 до 343 К).
Термисторы. Варисторы. Фотосопротивления
Полупроводниковые соединения могут обладать самыми разнообразными электрофизическими свойствами. К этим соединениям относятся карбид кремния, фосфиды, антимониды, сульфиды, окислы (закись меди, например), полупроводниковые материалы сложного состава. Эти материалы служат основой для изготовления термисторов (термосопротивлений), варисторов, фотосопротивлений.
Термисторы (термосопротивления) резко изменяют удельное сопротивление при изменении температуры. Термисторы из окиси меди, окиси цинка, сернистого серебра, окислов титана, магния и т. п. имеют большой отрицательный температурный коэффициент.
Термисторы применяются в различных схемах автоматики, могут быть использованы для температурной компенсации, могут служить ограничителями пускового тока и т. д.
В настоящее время электропромышленность выпускает электродвигатели специальной серии (СХТЗ) с встроенной температурной защитой типа УВТЗ, в которой в качестве датчика использован термистор.
Карбид кремния служит, например, для изготовления варисторов, но они нестабильны, боятся тряски и ударов. Поэтому их выпускают с глинистой связкой—тириты и со стеклянной — вилиты.
Варисторы (нелинейные сопротивления) обладают способностью изменить удельное сопротивление в зависимости от напряжения. Например, упомянутые тиритовые и вилитовые элементы резко увеличивают электропроводность при перенапряжениях на линии электропередачи и заземляют ее, а после окончания перенапряжения вилит восстанавливает свое сопротивление, гасит сопровождающий ток и линия остается в работе.
Фотосопротивления (фоторезисторы), изготовленные из сернистых соединений металлов, селена, кремния, германия, арсенида галлия, антимонида индия, сернистого висмута, кадмия и т. п., изменяют свою электропроводность в зависимости от степени освещенности и широко используются в различных схемах автоматики, например, на птицефабриках. Номенклатура изготовляемых фоторезисторов широка: фотоэлементы, дозиметры рентгеновского излучения, полупроводниковые лазеры, преобразователи Холла и т. д.
Фоторезисторы применяются для подсчета деталей в конвейерном производстве, для контроля уровня жидких и сыпучих тел, для обработки деталей по чертежу в фотокопировальных станках, для сигнализации о появлении дыма, в станках с программным управлением и т. д.
Фоторезисторы могут включаться непосредственно в осветительную сеть переменного и постоянного тока; срок службы их не менее 10 000 ч.
Электроугольные изделия
В основе этих электротехнических изделий лежат графит и уголь — разновидности почти чистого углерода. Углерод является полупроводником, графит и уголь по проводимости приближаются к металлам и их сплавам. Из электротехнических углей изготовляют щетки для электрических машин, непроволочные сопротивления, угольные электроды для электрических печей, сварки и электротехнических ванн, осветительные угли, микрофонные порошки, мембраны, части гальванических элементов, детали электровакуумных приборов (аноды, сетки).
Щетки отличаются друг от друга составом и технологией изготовления, они характеризуются значением удельного электрического сопротивления, допустимой плотностью тока, линейной скоростью коллектора, коэффициентом трения, твердостью и т. п.
Различают щетки угольно-графитовые (обозначения Т и УГ), графитовые (обозначение Г), электрографитированные, то есть подвергнутые термической обработке — графитированию (обозначение ЭГ), медно-графитовые (с содержанием металлической меди, обозначение М и МГ) и бронзографитовые (обозначение БГ).
Щетки с содержанием меди и бронзы обладают особо малым электрическим сопротивлением и дают незначительное контактное падение напряжения (между щеткой и коллектором).
Основные характеристики щеток приведены в разделе «Ремонт электрооборудования». Непроволочные сопротивления находят широкое распространение а. радио- и измерительной технике и в некоторых специальных областях электротехники. Они должны иметь малую зависимость от напряжения и отличаться высокой стабильностью при воздействии температуры и влажности. В радиопромышленности применяют следующие сопротивления:
лакопленочные, опрессованные в пластмассу. Их изготовляют путем нанесения на тонкую стеклянную трубку суспензии сажи и графита в масляном лаке. После монтажа выводных проводников, соединяемых с проводящей лаковой пленкой специальной проводящей пастой, их опрессовывают пластмассой типа фенопласт. Такие сопротивления имеют большой температурный коэффициент, недостаточную влагостойкость и стабильность;
углеродистые поверхностные сопротивления, получаемые путем осаждения углерода на поверхности керамических стержней при разложении углеродных паров в условиях высокой температуры и отсутствия кислорода. Для регулировки сопротивления элемента (стержня) на поверхности проводящего слоя прорезают спиральную канавку при помощи абразивных кругов. От влаги и механических повреждений элемент защищают лаковым покрытием.
объемные сопротивления, изготовленные на органической или керамической основах. Преимущество объемных сопротивлений перед поверхностными — способность лучше выдерживать кратковременные перегрузки.
