Неравновесных носителей

Во-вторых, сварные соединения разрушались по механизмам коррозионного растрескивания (при наличии водосо-держащей щелочной среды) и ножевой коррозии (масляная фракция в смеси N-метилпиралидоном) по металлам участков ЗТВ, получивших при сварке закалочные неравновесные структуры.

Неравновесные структуры (табл. 3, рис. 6—10, см. вклейку). В зависимости от скорости охлаждения аустенит может переохлаждаться ниже температуры его равновесного состояния (723°С) с образованием неустойчивых структур —мартенсита, троостита, сорбита и бейнита. Неравновесные структуры — троостит и сорбит — образуются также при отпуске мартенсита на температуру ниже 600—700° С.

Отпуск — процесс термообработки предварительно закаленной стали, обусловливающий получение более равновесных структур. Неравновесные структуры закалки — аустенит и мартенсит— дают в соответствии с температурой отпуска более равновесные структуры отпуска — мартенсит отпуска, троосто-мартенсит, троостит, троосто-сорбит, сорбит.

Диаграмма состояния позволяет анализировать превращения, которые совершаются в сталях при медленном охлаждении и при медленном нагревании. При быстрых изменениях температуры происходит запаздывание превращений, могут образовываться другие, неравновесные структуры. Свойства стали зависят от структуры. Этим 38

Операция термической обработки, заключающаяся в нагреве стали до температуры, находящейся в критическом интервале или выше него, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении, называется закалкой стали. В результате получаются неравновесные структуры, так как быстрое охлаждение препятствует диффузионному протеканию фазовых превращений. Для углеродистой стали

Легированные низкоуглеродистые стали по своей свариваемости мало отличаются от низкоуглеродистых конструкционных сталей. Однако они более склонны к росту зерна в околошовной зоне, а при высоких скоростях охлаждения в них могут появиться неравновесные структуры закалочного характера.

Структуры стали — феррит, перлит и цементит — устойчивы при комнатной температуре (их называют равновесными структурами). Однако они могут значительно изменяться в зависимости от условий нагрева и охлаждения. При определенном режиме тепловой обработки стали можно сохранить структурные составляющие, изменить форму или размеры зерен и таким путем получить зернистый перлит вместо пластинчатого или мелкопластинчатый перлит вместо крупнопластинчатого. С помощью термической обработки могут быть получены неустойчивые или неравновесные структуры.

Характер структуры сварного соединения при электроннолучевой сварке определяется весьма большими скоростями охлаждения и обычно отсутствием присадочного металла (последнее обусловлено металлургическими особенностями процесса). В связи с этим превращения протекают в менее равновесных условиях, чем при других способах сварки. Однако вызванная этим опасность образования дефектов, например холодных трещин, компенсируется тем, что размеры зоны термического влияния и зоны проплавления исключительно малы. Развивающиеся усадочные напряжения невелики, и образующиеся неравновесные структуры находятся в слабонагруженном состоянии. Например, электронным лучом можно сваривать без подогрева низколегированные стали, несмотря на то что в шве и в зоне термического влияния образуется мартенсит. В зависимости от условий нагружения в процессе эксплуатации может возникнуть необходимость в последующей термической обработке сварных соединений, которая для малогабаритных деталей, свариваемых этим способом, более рациональна, чем предварительный подогрев.

Легирующие элементы стабилизируют либо а-, либо р-фазу. Они сдвигают температуры превращения вверх или вниз, что дополнительно влияет на характер структуры. Образующиеся в результате полного или частичного подавления Р -э- «-превращения неравновесные структуры можно привести в состояние, близкое к равновесному, путем отпуска (тепловое воздействие). При этом образуются различные промежуточные состояния. ,

Закалка — термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной реакции и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении.

охлаждения после сварки и состава стали. При этом рост зерна и наиболее неравновесные структуры после охлаждения характерны для ОШЗ, а наиболее равновесные — для менее нагретых участков ЗТВ. Для скорости нагрева при сварке 150—250° С/с (характерная для сварки ручной дуговой и автоматической под флюсом листов 10—20 мм) М. X. Шоршоровым с сотрудниками установлено структурное состояние ЗТВ различных сталей при разных скоростях охлаждения в условиях термического цикла сварки (табл. 4).

Приведенные примеры иллюстрируют изменения структуры и свойств в ЗТВ углеродистых, низко- и среднелегированныхс талей. Изменения в ЗТВ у высоколегированных сталей зависят от состава и структурного класса стали. В ЗТВ аусте-нитных сталей зерно растет относительно несильно. На расстоянии двух-трех зерен от линии сплавления могут появиться карбидные выделения по границам зерен, снижающие вязкость этих участков и стойкость против межкристаллитной коррозии. В аустенитпо-мартенситных сталях в ЗТВ чаще всего увеличивается количество аустенита и соответственно изменяются свойства. Очень сильно растет зерно в ЗТВ у ферритных сталей. У полуферритных сталей в ЗТВ образуются неравновесные структуры, чаще всего мартенсит.

Магнитодиоды. В качестве магнитодиодов используются несимметричные р'-п- или я+-/»-переходы с длинной базой, т. е. базой, длина которой больше длины диффузионного смещения неосновных носителей заряда. Магнтодиодным эффектом в настоящее время принято называть эффект изменения сопротивления диода в магнитном поле, происходящего вследствие изменения распределения концентрации неравновесных носителей в базе диода. Проводимость базы обусловлена инжектированными носителями. При помещении диода в перпендикулярное направлению тока магнитное поле, его сопротивление увеличивается [48]. В настоящее время применяются две конструкции магнитодиодов: торцевая и планарная, соз-

ДИФФУЗИОННЫЙ НАСОС - пароструйный высоковакуумный насос, действие к-рого основано на диффузии молекул откачиваемого газа в струю пара рабочей жидкости, истекающей из сопла. В зависимости от используемой рабочей жидкости различают парортутные Д.н. (остаточное давление 10 _ -10~12 Па) и паромас-ляные (до 1СГ9 Па). ДИФФУЗИОННЫЙ ток - электрич. ток, обусловленный перемещением носителей заряда в кристалле в направлении убывания их концентрации. Возникает при неравномерном распределении неравновесных носителей заряда в объёме кристалла (напр., вследствие генерации или ин-жекции носителей, в результате действия электрич. поля, в связи с неоднородностью самого кристалла).

НАКАЧКА в приборах квантовой электроники- процесс возбуждения активной среды квантовых генераторов и усилителей, для создания в ней инверсии населённо-стей. Н. может осуществляться под действием света (оптич. Н.), пучка электронов, сильного электрич. поля, в газовом разряде, в результате хим. реакций, инжекции неравновесных носителей заряда (инжекционная Н.), посредством пространств, сортировки молекул (в молекулярных генераторах) и др. методами. НАКИПЬ - тв. отложения на омываемых водой внутр. поверхностях труб паровых котлов и др. теплообменных аппаратов, образующиеся при испарении и нагревании воды, содержащей соли (напр., углекислые соли кальция и магния). Наличие Н. ухудшает теплоотдачу в теплообменниках, что приводит к перегреву металла и может вызвать разрыв труб. Предупреждают образование Н., напр., умягчением питат. воды (см. Водо-подготовка). Удаляют Н. обычно ме-ханич. или хим. способами. НАКЛЁП - частичное изменение структуры и св-в металлов и сплавов, вызванное пластической деформацией при темп-ре ниже темп-ры рекристаллизации. Н. снижает пластичность и ударную вязкость, но увеличивает предел прочности, предел текучести и твёрдость. Н. применяют для поверхностного упрочнения деталей из металлич. материалов.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР - лазер, в к-ром в качестве активной среды используются ПП материалы (в осн. арсенид галлия GaAs и его твёрдые растворы с др. ПП, напр, с InP). Преобразование приложенной электрич. энергии в лазерное излучение в П.л. происходит за счёт вынужденных процессов рекомбинации неравновесных носителей заряда - электронов и дырок. По способу возбуждения (накачки') активной среды П.л. делятся на 4 осн. класса: инжекцион-ные лазеры, в к-рых создание неравновесных носителей осуществляется в результате протекания ин-жекционного тока в ПП структуре с р - п-переходом или гетеропереходом (наиболее распространены); П.л. с электронным возбуждением, в к-рых неравновесные электроны и дырки создаются при накачке ПП потоком ускоренных (быстрых) электронов; П.л. с оптическим возбуждением - накачка производится оптич. излучением (в частности, лазерным); стримерные лазеры, в к-рых электронно-дырочная плазма возникает в результате лавинного пробоя под действием сильного электрич. поля, приложенного к кристаллу ПП. Для П.л. характерны относительно малые размеры, высокий кпд (до 50%), возможность спектральной перестройки. П.л. генерируют излучение в диапазоне длин волн 0,3-30 мкм. Осн. применения: воло-конно-оптич. линии связи, системы оптич. записи и считывания информации, устройства дальнометрии, системы телеуправления, наведения, подсветки и др.

рич. тока) оптич. излучение, к-рое в видимой области воспринимается как одноцветное. Излучение обычно возникает в результате спонтанной рекомбинации неосн. неравновесных носителей заряда (электронов и дырок), инжектир. под действием при-лож. напряжения в активную область прибора. Цвет излучения определяется как используемым ПП материалом, так и легирующими примесями. Для изготовления С.д. чаще всего применяют кристаллы арсенида галлия GaAs, фосфида галлия GaP и их твёрдые р-ры. В качестве легирующих примесей используются: в GaP - цинк и кислород (красные С.д.) либо азот (зелёные С.д.), в GaAs - кремний либо цинк и теллур (инфракрасные С.д.). Созданы также С.д. голубого и синего цвета свечения (напр., на основе карбида кремния SiC). Яркость излучения С.д. достигает 105 кд/м2. С.д. применяются в индикаторных устройствах, системах отображения информации (в технике связи, вычислит., измерит., бытовой технике и др.); С.д. ИК-диапазона перспективен для оптич. связи.

Магнитодиоды. В качестве магнитодиодон используются несимметричные р -п- или п -р-переходы с длинной базой, т. е. базой, длина которой больше длины диффузионного смещения неосновных носителей заряда. Магнтодиодным эффектом в настоящее время принято называть эффект изменения сопротивления диода в магнитном поле, происходящего вследствие изменения распределения концентрации неравновесных носителей в базе диода. Проводимость базы обусловлена инжектированными носителями. При помещении диода в перпендикулярное направлению тока магнитное поле, его сопротивление увеличивается [48]. В настоящее время применяются две конструкции магнитодиодов: торцевая и планарная, соз-

Работа прибора основана на взаимодействии краевого СВЧ электрического поля резонатора со свободными носителями тока полупроводниковой пластины. Удельное сопротивление пластины определяется по величине потерь, вносимых исследуемым полупроводником в резонатор, а время жизни неравновесных носителей — по времени затухания фотопроводимости полупроводника после освещения его оптическими импульсами.

Большинство избыточных пар электрон — дырка рекомбинирует на дефектах кристаллической решетки. Эти дефекты, как указывалось выше, являются центрами рекомбинации и связаны с различными энергетическими уровнями внутри запрещенной зоны. Время, необходимое для того, чтобы избыток носителей пришел в равновесное состояние посредством рекомбинации, является временем жизни неравновесных носителей, которое зависит прежде всего от сечения рекомбинации и плотности центров рекомбинации.

В схемах с общей базой линейная зависимость коэффициента усиления по току от интегрального потока быстрых нейтронов является хорошим приближением для устройств типа прп, но не всегда верна для германиевых транзисторов типа рпр. Степень отклонения от линейного приближения зависит от ширины и удельной электропроводности области базы и во многих случаях представляет определенный практический интерес [31]. Все известные результаты находятся в качественном согласии с выражением (6.6). Следовательно, отношение t/a может характеризовать работоспособность любого транзистора при заданной величине выдержки под облучением. Величина а зависит от материала базы, температуры и плотности неравновесных носителей.

Как указывалось выше, число ионизованных электронов при облучении полупроводников зависит от общего количества поглощенной энергии. Энергия, необходимая для образования электронно-дырочной пары, равна 3 эв для германия и 3,5 эв для кремния. Возможна непосредственная рекомбинация избыточных электронов и дырок с испусканием фотона. Однако рекомбинация большей части неравновесных носителей происходит на дефектах кристаллической решетки.

где t — время, прошедшее с момента прекращения облучения, а т — время жизни неравновесных носителей. С точки зрения рассматриваемых переходных явлений уравнение (6.15) описывает упрощенный случай, так как предполагается, что радиационный импульс близок к прямоугольному,, спад удельной электропроводности подчиняется кинетическому уравнению первого порядка и дефекты решетки, возникающие под действием излучения, не влияют на величину т. Типичные времена жизни носителей в полупроводниковых материалах обычно порядка 10~6—10~4 сек, поэтому радиационный импульс, имеющий ширину на половине высоты максимума порядка —10~8 сек, может рассматриваться как прямоугольный. С другой стороны, если радиационный импульс имеет ширину на половине максимума, много большую, чем т, то подъем и спад электропроводности должен непосредственно следовать за подъемом и спадом радиационного импульса при условии, что излучение не вызывает необратимых изменений т.