Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И  СВЯЗИ

Кафедра промышленной теплоэнергетики

 

 

ХИМИЯ РАДИОМАТЕРИАЛОВ

Конспект лекций

для студентов всех форм обучения специальностей 5В071900- Радиотехника, электроника, телекоммуникации, 5В070400 –Вычислительная техника и программное обеспечение, 5В070300 – Информационные системы, 5В070200 – Автоматизация и управление

 

 

Алматы 2011 

         Составители: К.С.Идрисова, А. А. Туманова. Химия радиоматериалов. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальностей 5В071900- Радиотехника, электроника, телекоммуникации, 5В070400 –Вычислительная техника и программное обеспечение, 5В070300 – Информационные системы, 5В070200 – Автоматизация и управление. Алматы: АУЭС, 2011 –  49 с.

 

 Конспект лекций по химии радиоматериалов предназначены для бакалавров специальностей 5В071900- Радиотехника, электроника, телекоммуникации, 5В070400 –Вычислительная техника и программное обеспечение, 5В070300 – Информационные системы, 5В070200 – Автоматизация и управление.

 Библиогр. -  14  назв.

 

Рецензент:д-р хим.наук,проф.КазНТУ имени К.Сатпаева Г.Д.Елигбаева

 

Печатается по плану издания НАО «Алматинский университет энергетики и связи» на  2011 г.

 

 

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011 г.

                          

 Введение 

Радиотехническими (далее радиоматериалами) называют такие материалы, которые имеют специфическое назначение в электрорадиоаппаратуре при воздействии электромагнитного поля, отличаются хорошими электрическими и магнитными свойствами. Применяемые в радиотехнике и электронике материалы, подразделяются на

-электроизоляционные (диэлектрические);

-проводниковые;

-полупроводниковые;

-магнитные.

Значение материалов в промышленности возрастает по мере развития радиотехники и электроники. Вопросы уменьшения габаритов и веса радиоаппаратуры (микроминиатюризация), повышение дальности и избирательности связи, повышение надежности, особенно в экстремальных условиях наземного и космического применения, внедрение квантовой электроники в большой мере зависят от радиоматериалов.

Значительное развитие радиоэлектроники и электронной техники, создание таких областей науки и техники, как радиолокация, радиофизика, кибернетика, биоэлектроника и другие - поставили перед материаловедением и химией задачи по разработке и применению новых материалов с новыми свойствами. Рассмотрим некоторые направления электроники.

Полупроводниковая электроника использует свойства кристаллической решетки веществ, перемещение и распределение зарядов под действием электрических и магнитных полей внутри кристалла. Открытие и разработка новых полупроводниковых материалов способствует дальнейшему развитию электроники, в частности расширяет частотный диапазон работы (десятки гигогерц) и увеличивает скорости работы полупроводниковых приборов.

Молекулярная электроника позволяет создавать радиосхемы в твердом теле с помощью электроактивных примесей бора, фосфора, сурьмы, мышьяка, образуя в кристаллах зоны, выполняющие функции резисторов, конденсаторов, диодов и транзисторов. Такие схемы чрезвычайно малы по размерам (минимальная ширина элемента в них не более 0.2 мкм) и вносят новые представления и теоретические предпосылки в расчет, конструирование и технологию производства радиоаппаратуры.

Квантовая электроника использует новейшие достижения физики в исследовании квантовых процессов, происходящих внутри атомов и молекул вещества, при которых излучается электромагнитная энергия сверхвысокочастотных колебаний, с длиной волны около одного микрона, т.е. в области инфракрасных колебаний. Генераторы и усилители этого типа дают возможность использовать энергию высокой плотности и осуществлять новые виды химических реакций, сварки и плавления тугоплавких веществ и другие высокотемпературные процессы. Разработка новых материалов, обладающих квантово-оптическими свойствами, - одно из основных условий успеха в этой области.

Все радиоматериалы должны удовлетворять следующим общим требованиям:

- обладать высокими электрическими (магнитными свойствами);

- нормально работать при повышенных, а часто и при низких температурах;

- иметь достаточную механическую прочность при различных видах нагрузки, в том числе обладать устойчивостью к тряске, вибрациям и ударам;

- нормально работать при значительном перепаде температуры воздуха и повышенной влажности;

- обладать достаточной влагостойкостью, химической стойкостью и стойкостью к различного рода облучениям и плесени;

- иметь стабильные эксплуатационные характеристики во времени при комплексном воздействии рабочего напряжения, температуры и влажности;

- не иметь заметно выраженного старения;

- удовлетворять технологичности, т.е. должны сравнительно легко и просто обрабатываться, допускать массовое изготовление;

- быть недорогими, недефицитными.

В электронной и радиотехнике применяют разнообразные материалы, количество наименований которых превышает несколько тысяч. Для правильной ориентации в них необходимо изучить классификацию материалов, предлагаемую в курсе.

Конспект лекций  состоит из четырех тем:

1)     диэлектрики;

2) проводниковые материалы;

3)     полупроводниковые материалы;

4)     магнитные материалы.

В каждой из них описаны свойства, характеристики, способы получения и области применения соответствующих материалов.

 

1 Лекция.  Отличительные свойства металлов, полупроводников и диэлектриков

 

1.1 Общие представления  об электропроводности металлов, полупроводников и диэлектриков

 

Прохождение электрического тока через жидкие и твердые тела обусловливается направленным движением электронов или ионов или и тех и других одновременно под действием электрического поля. При переносе заряда ионами наблюдается электролиз. Высокую ион­ную проводимость, как известно, имеют водные растворы и расплавы электролитов. В твердых телах перенос заряда ионами сильно затруд­нен. Этот вопрос мы не будем рассматривать. В твердых телах с элект­ронной проводимостью электролиза не наблюдается. Рассмотрим важ­нейшие группы твердых тел с электронной проводимостью.

Металлы относятся к веществам с очень хорошей электронной проводимостью (проводники первого рода). Их удельная электропро­водность  от 104 до 106 ом-1см-1 или в системе СИ от 106 до 108 сим м-1  (1 сим= 1 ом-1 ). Несколько меньшей проводимостью, чем чистые металлы, обладают их сплавы, некоторые интерметалли­ческие соединения и различные карбиды, гидриды, нитриды метал­лов, являющиеся фазами переменного состава. Удельная проводи­мость металлов выражается уравнением

σ = пеи,

где п — концентрация электронов проводимости, см-3;

 е — заряд электрона, равный 1,6-10-19 к;

  и — подвижность электронов, см2/(в сек).

Если число атомов в 1 см3 металла порядка 1022, число валентных электронов каждого атома единица, то σ  при и = 100 см2/(в-сек) бу­дет  порядка   105  ом-1 см-1.

Так как концентрация электронов проводимости п в данном ме­талле практически постоянна и не зависит от температуры, то σ будет зависеть только от тех факторов, которые влияют на подвижность электронов и. В частности, при повышении температуры увеличива­ется амплитуда колебаний положительных ионов металлической решетки. Из-за этого боле интенсивно рассеиваются электроны и уменьшается их подвижность, вследствие чего электропроводность металлов при нагревании уменьшается. Наоборот, при приближении к абсолютному нулю уменьшается амплитуда колебания ионов, кристаллическая решетка упорядочивается, уменьшается влияние ионов на электроны проводимости и облегчается продвижение последних в  металле. Многие металлы в силу особых  квантовых условий при низких температурах становятся сверхпроводниками.

Диэлектрики в противоположность металлам характери­зуются жесткой локализацией валентных электронов около опреде­ленных атомов, находящихся в ковалентной связи с соседними ато­мами. В типично ионных решетках электроны тоже прочно удержива­ются около каждого иона. По этой причине диэлектрики имеют очень малую удельную электропроводность (от 10-10 до 10- 22 ом-1  см-1 ) и обладают изолирующими свойствами.

К диэлектрикам относятся некоторые простые вещества (алмаз), подавляющее большинство органических соединений, керамические материалы, слюда, силикатные стекла и др. Особо важное значение имеют полимерные материалы как диэлектрики, используемые в ка­честве хороших изоляторов.  К газообразным диэлектри­кам относятся N2, SF6 и др. В состав диэлектриков могут входить атомы металлических элементов, но атомы неметаллов входят обяза­тельно, так как без них не существуют прочные ковалентные, ионные или ионно-ковалентные связи между атомами. Таких связей нет толь­ко в ожиженных и закристаллизованных газах нулевой группы эле­ментов периодической системы, которые также обладают свойствами диэлектриков.

Между металлами как очень хорошими электронными проводни­ками и диэлектриками, обладающими более или менее высокими изо­лирующими свойствами, находится громадная группа веществ с удель­ной электропроводностью от 10-10 до 104 ом-1 см-1. Вещества этой группы называют полупроводниками. Под полупровод­никами понимают обычно неметаллические проводники с электрон­ным механизмом тока.

Сравнивая свойства их с металлами и диэлектриками, можно нагляднее всего характеризовать полупроводники.

При повышении температуры проводимость полупроводников в отличие от металлов обычно возрастает. Электропроводность диэлектриков тоже возрастает. При температуре, близкой к абсолют­ному нулю, проводимость полупроводников и диэлектриков практи­чески нулевая. По электрическим свойствам полупроводники стоят ближе к диэлектрикам, чем к металлам, от которых они имеют прин­ципиальное качественное отличие.

По  сравнению  с  металлами  проводимость  полупроводников  не уменьшается, а увеличивается при введении ничтожных количеств примесей, при появлении других дефектов строения кристаллической решетки, при действии различных излучений. Электрофизические свойства полупроводниковых соединений весьма чувствительны к от­клонениям от стехиометрического состава. В отличие от металлов полупроводники хрупки и менее теплопроводны, хуже отражают видимые лучи.

Малая проводимость их по сравнению с металлами вызвана не тем, что подвижность носителей заряда сильно отличается в металлах и полупроводниках, а главным образом тем, что ток в последних пере­носится небольшой частью электронов, например, стомиллионной долей от общего числа валентных электронов. Уменьшение σ при охлаждении полупроводников может быть объяснено только быстрым уменьшением числа электронов проводимости п, так как известно, что подвижность электронов возрастает при охлаждении. Стремле­ние σ и п к нулю при Т→ 0 указывает на то, что электроны проводи­мости в полупроводниках создаются тепловым движением (или дру­гими видами энергии, сообщенной извне). Это основное отличие полу­проводников от металлов.

 

1.2 Понятие о зонной теории твердых тел. Зона проводимости, валентная и запрещенная зоны

 

Объяснение электропроводности металлов, полупроводников и диэлектриков дается на основе квантовой теории строения кристалли­ческих тел — так называемой зонной теории.

 Рассмотрим некоторые общие положения этой теории. Переход атомных паров в кристалли­ческое вещество можно рассматривать как химическую реакцию, так как оптические, термодинамические, электрофизические и другие свойства твердых тел отличаются от свойств газов. Важно отметить, что атомные спектры газов имеют линейчатое строение, а спектры твер­дых тел имеют сплошной характер или полосатую, очень сложную структуру. Уже при взаимодействии двух одинаковых атомов дискрет­ные атомные энергетические уровни расщепляются и превращаются в полосы. Тем большее расщепление уровней происходит, когда боль­шое число N атомов, например, лития, сближается с далеких рас­стояний до расстояний, на которых они находятся в кристаллической решетке. На рисунке 1,а это расстояние между ядрами обозначено на оси абсцисс буквой d0. По оси ординат отложена энергия. Находясь на больших расстояниях, атомы не взаимодействуют друг с другом, и диаграмма уровней будет такая же, как и для изолированного атома лития (ls22s1). При сближении атомов начнется взаимодействие между ними, прежде всего у каждого из них станет расщепляться уровень валентных электронов (2s). Уровень (2s) расщепляется в систему весь­ма близко расположенных N уровней, образуя целую полосу (зону) уровней. Более глубокие уровни при образовании кристалла ока­зываются совсем не расщепленными или только незначительно рас­щепленными.

Если ширина зоны валентных состояний в кристалле равна 1 эв, а число атомов N, образующих 1 см3  кристалла, имеет порядок 1022, то энергетические уровни в зоне расположены в среднем на расстоя­ниях 1/1022 эв друг от друга. Между зонами состояний 1s и 2s в крис­талле лития находится область неразрешенных состояний (запрещен­ная зона).

Заполнение уровней разрешенных зон электронами подчиняется принципу Паули, поэтому число электронов не может быть больше числа возможных состояний в данной зоне. Максимальное число электронов в зоне должно быть не больше qN (где q — степень вырож­дения исходных уровней атома). Следовательно, в зоне s могут находиться лишь 2N электронов, так как степень вырождения s-уровней равна двум (из-за двух различных значений спинового чис­ла). В зоне р могут находиться максимум 6N электронов (из-за шести­кратного вырождения р-уровней) и т. д.

 

                  а                                     б

Рисунок 1-  Расщепление энергетических  уровней ато­ма в зоны для лития (а), для бериллия (б)  при взаимодействии    атомов в твердом теле

 

Таким образом, зонная теория объясняет свойства твердых тел на основании анализа заполнения электронами энергетических зон в их кристаллах.

1.3 Важнейшее    отличие металлов   от   полупроводников и диэлектриков.  Электронная  и дырочная  проводимость

 

На основе зонной теории легко объяснима электропроводность твердого тела. Чем, например, объясняется электропроводность лития и других щелочных металлов? У них валентная зона занята только наполовину, так как N атомов имеют N валентных электронов (по одному s-электрону на атом), а число мест в s-зоне 2 N. Незаполнен­ность верхней (валентной) зоны порождает электронную проводи­мость, характерную для металла. Действительно, под влиянием элект­рического поля валентные электроны должны начать движение к положительному полюсу, т. е. приобретать дополнительную энергию. Такое наращивание этой энергии очень малыми порциями (почти не­прерывное) возможно, если в зоне валентных состояний есть уровни, свободные от электронов. Если зона валентных состояний полностью заполнена электронами, то проводимость должна отсутствовать, т. е. тело должно иметь свойства диэлектрика. В полностью заполненной зоне электроны не могут наращивать энергию малыми порциями, так как принцип Паули запрещает переходы внутри заполненной зоны.

С этой точки зрения атомы бериллия и других элементов 2-й груп­пы имеют полностью заполненную s-зону валентных состояний: N ато­мов, образующих кристалл, поставляют 2N электронов (по два s-электрона каждый), что отвечает числу возможных состояний в зоне. Одна­ко кристаллы этих веществ не являются изоляторами (диэлектриками) и хорошо проводят ток как металлы. Это объясняется следующим. При сближении атомов бериллия и других элементов 2-й группы до расстояния, равного параметру решетки d0, расщепленные уровни s- и р-состояний перекрывают друг друга (см. рисунок 1, б) и образуют объеди­ненную зону sp-состояний, в которой имеется SN мест. Таким обра­зом, верхняя sp-зона имеет только 1/4 занятых мест в кристаллах элементов 2-ой группы, 3/4 мест остаются свободными. Поэтому указан­ные вещества имеют металлическую проводимость. У других металлов тоже только частично заполнена электронами верхняя (валентная) энергетическая  зона.

Дискретным уровням атома в твердом теле соответствует всегда дискретная система разрешенных зон, разделенных запретными зо­нами. «Как правило, если электроны образуют в атоме или молекуле законченную группу, то при объединении их в твердое или жидкое тело создаются зоны, все уровни которых заполнены, поэтому такие вещества будут обладать при абсолютном нуле свойствами изолято­ров». Сюда относятся решетки благородных газов, молекулярные и ионные решетки соединений с насыщенными связями. В решетках алмаза, кремния, германия, α-олова, соединений типа AIIIBv, AIIBVI, CSi каждый атом связан единичными валентными свя­зями с четырьмя ближайшими соседями, так что вокруг него обра­зуется законченная группа электронов s2p6  и валентная зона оказы­вается заполненной.

Полу­проводники и диэлектрики отличаются от металлов тем, что валент­ная зона у них при Т ≈ К всегда полностью заполнена электронами, а ближайшая свободная зона (зона проводимости) отделена от валент­ной зоной запрещенных состояний. Ширина запрещенной зоны ∆Е у полупроводников от десятых долей электрон-вольт до 3 эв (услов­но), а у диэлектриков от 3 до 5 эв (условно). Если между полупро­водниками и диэлектриками имеется только количественное различие, то отличие их от металлов качественное. Чтобы проходил ток в метал­ле, не требуется никакого другого воздействия, кроме наложения электрического поля, так как валентная зона в металле не заполнена или перекрывается с зоной проводимости (см. рисунок 2, а).

Для возбуждения проводимости в полупроводнике необходимо к электрону, находящемуся в заполненной валентной зоне, подвести энергию, достаточную для преодоления зоны запрещенных состояний. Только при поглощении энергии не меньше, чем ∆Е, электрон будет переброшен из верхнего края валентной зоны в свободную зону (зону проводимости). Если этот энергетический порог преодолен, то чистый (собственно) полупроводник имеет электронную проводимость. Чем меньше ширина запрещенной зоны ∆Е, тем больше проводимость при данной температуре. Так как у диэлектриков ∆Е  очень велика, то проводимость их очень мала.

При приближении к абсолютному нулю термическое возбуждение оказывается недостаточным и полупроводники становятся диэлект­риками, а металлы становятся сверхпроводниками. Чем выше темпе­ратура и чем более интенсивно полупроводник облучается квантами с энергией hv не меньше ∆Е , тем больше проводимость собственно полупроводника, так как увеличивается число электронов, перебра­сываемых из валентной зоны в зону проводимости.

 

                                    а                    б                   в

Рисунок 2 -  Схема энергетических зон в металле (а), в  полупроводнике (б), в диэлектрике (в);  ∆Е  — ширина запрещенной зоны

 

Для чистых полупроводников при убывании частоты падающего света коэффициент поглощения при некотором значении υ резко падает, и материал становится прозрачным для лучей с меньшими час­тотами. Этот участок быстрого спада поглощения называется краем собственного поглощения. Длина волны λ и частота υ, отвечающая краю собственного поглощения, приближенно определяются усло­виями

= hC/λ=∆E,

где Е  называется оптической шириной запрещенной зоны.

Энергия квантов видимого света лежит в пределах 1,5—3,0 эв, т. е. обычно превышает энергию возбуждения проводимости (∆Е). Если в полупроводнике есть некоторое количество примесей, он ста­новится непрозрачным в широкой области частот — от ультрафиоле­товой вплоть до радиочастот.

Металлы при облучении светом практически не изменяют проводи­мость, так как число электронов проводимости в них не изменяется. Дальше мы остановимся на причинах большой чувствительности полу­проводников к дефектам строения кристаллов и к нарушению состава, чем они также сильно отличаются от металлов.

Уход электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводи­мости оставляет свободное место (дырку) в валентной зоне с положи­тельным зарядом, численно равным заряду электрона. Таким образом, дыркой называется освобожденное от электрона место в области нару­шенной ковалентной связи, соединяющей соседние атомы собственно полупроводника, имеющее единичный положительный заряд.

На рисунке 3 изображены схемы появления дырки в атомной решетке элементарного полупроводника и возникновение электрона проводи­мости. Электрон, появившийся в междоузлии, является подвижным носителем заряда. Такие электроны, как и дырки, могут свободно пе­ремещаться по кристаллу (диффундировать). Если поместить кристалл в электрическое поле с напряжением, падающим справа налево, то «свободный»  электрон  приобретает  направленное движение против поля (вправо). Кроме того, на место образовавшейся дырки (+) пе­рейдет электрон из какого-либо места соседней связи левее дырки. Таким образом, образуется новая дырка вместо прежней. Следователь­но, дырка перемещается по направлению поля (влево) при скачках электронов в валентной зоне, совершающихся слева направо, как пока­зано на рис. 3(стрелками). Перенос заряда электронами валентной зоны называют дырочным. Таким образом, в собственных полупровод­никах бывает двоякий механизм проводимости: электронный и дыроч­ный.

 

                    а                                         б

Рисунок 3 – Схема разрыва валентной связи и появление свободного электрона и дырки как носителей заряда  в плоском изображении (а), в ионной энергетической диаграмме (б); А- атомы кремния или германия; (: ) – валентные электроны, осуществляющие связь соседних атомов; (+) – дырка; ( -) – свободный электрон; Ес – нижний уровень свободной зоны; Ев – верхний уровень валентной зоны.

 

Удельная электропроводность полупроводника в общем случае выражается уравнением

σ= пеип +  реир,

где ип и ир — подвижности соответственно электронов и дырок; п и р — их концентрации.

В  собственном полупроводнике

где k- константа Больцмана, равная 1,38 . 10-16 эрг/град; А для полупроводников с ковалентными связями (на­пример, кремния и германия) пропорциональна  Т1,5,а подвижности носителей заряда пропорциональны Т-1,5, поэтому без большой по­грешности можно написать

,

считая    — постоянной   величиной  для   данного   полупроводника. Логарифмируя последнее уравнение,  получим

.

Это уравнение прямой линии  с угловым коэффициен­том   . Отсюда

,

где  — угол между прямой и положительным направлением оси  1/Т.

Так как этот угол всегда тупой, то  < 0, а  > 0. Здесь  называют термической шириной запрещенной зоны, т.е. вычисленной из  температурного  хода  проводимости.

Возникновение пары электрон — дырка за счет нарушения нормаль­но заполненной связи (НЗ) можно записать в виде уравнения обра­тимой  реакции 

(где  — электрон проводимости, е+ дырка). При заданной температуре устанавливается динамическое равновесие. Процесс, идущий слева направо, является генерацией электронов и дырок, а обратный процесс называется рекомбинацией электронов и дырок. При повышении температуры в соответствии с принципом Ле- Шателье это равновесие сдвигается вправо. При данной температуре по закону действия масс можно записать константу равно­весия так

Из того, что практически очень большая вели­чина [HЗ] постоянна, следует

пр = const.

Нормально заполненных связей практически столько, сколько свя­зей в 1 см3. Например, в 1 см3 германия связей (6,02-1023-5,32/72,59) х 2 = 9,0-1022 (здесь 5,32 — плотность германия, г/см3; 72,59 — его атомная масса). Дробь, представляющая собой число атомов герма­ния в 1 см3, умножается на 2,  потому что каждый атом имеет 4 связи с соседними атомами, но каждая связь соединяет два атома.

Для беспримесного полупроводника п = р = пi (i — от слова intrinsic — собственный); поэтому можно представить

пр=пi2.

Это значит: произведение концентраций электронов проводимости и дырок в полупроводнике при постоянной температуре постоянное, рав­ное произведению концентраций их в собственном полупроводнике при той же температуре и не зависит от характера и количества содержа­щихся в нем примесей.

 Для германия при 3000К пр = 6,25.1026. Отсюда концентрация электронов и дырок в беспримесном германии п = р = пi = 2,5-1013 см-3. Для  кремния ni примерно на три порядка меньше.

 

2 Лекция.  Диэлектрики

 

2.1 Классификация диэлектрических материалов

 

По области применения все диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные и диэлектрики в электрических конденсаторах.

Первые используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

Вторые используются для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры и других факторов.

По возможности управления электрическими свойствами диэлектрические материалы можно разделить на пассивные с постоянными свойствами и активные, свойствами которых можно управлять (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики,электреты и др.).

Диэлектрические материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции, представляют собой твердые тела (лаки и компаунды).

В соответствии с химической природой все диэлектрики делятся на органические и неорганические. Под органическим веществами подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат также водород, кислород, азот, галогены или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний, алюминий и др. металлы, кислород и т.п.

Количество диэлектрических материалов исчисляется многими тысячами. Поэтому здесь будут даны лишь общие представления об особенностях строения и свойств основных классов диэлектриков.

 

2.2 Поляризация диэлектриков

 

При описании электрических явлений обычно рассматривают тело из диэлектрика, снабженное электродами, к которым подводится электрическое напряжение, т. е. некоторый участок изоляции. Таким участком может быть электрический конденсатор, изоляция кабеля электрической машины или аппарата и т. п., а также образец диэлектрического материала, специально подготовленный для измерения его электрических параметров.

В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов, всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные - в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные - в обратном направлении.

В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика dV приобретает индуцированный электрический момент dp.

Образование индуцированного электрического момента р в диэлектрике и представляет собой явление поляризации. Качественно интенсивность поляризации диэлектрика определяется поляризованностью Р, равной отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю:

.

Поляризованность - векторная величина: ее направление совпадает с направлением электрического момента - от отрицательного заряда к положительному. Так как электрический момент измеряется в [Кл× м], а объем -в [м3], то единицей модуля поляризованности будет [Кл/м2].

Существует несколько видов поляризации: электронная, ионная, дипольная и миграционная.

Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации.

Электронная поляризация устанавливается за очень короткое время после наложения электрического поля - порядка 10-14 - 10-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний. Поэтому электронная поляризация проявляется на всех частотах электрического поля, вплоть до оптических.

При увеличении размеров атома электронная поляризуемость увеличивается, так как при этом не только становится слабее связь электронов внешних оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки, но и возрастает заряд ядра q.

Ионная поляризация - смещение друг относительно друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями. При этом центры положительных и отрицательных зарядов q ионов ячейки, совпадающие до приложения электрического поля, под действием поля раздвигаются на некоторое расстояние x в результате смещения разноименно заряженных ионов в противоположных направлениях, вследствие чего элементарная ячейка приобретает индуцированный электрический момент рu = qx.

Ионная поляризация устанавливается также за малое время (хотя и большее, чем электронная) - 10-13 - 10-14 с.

Ионная поляризуемость больше у тех веществ, где ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, т. е. являются многовалентными.

 Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков. Сущность этого метода поляризации заключается в повороте в направлении электрического поля молекул, имеющих постоянный электрический момент.

Диэлектрики можно подразделить на полярные (содержащие постоянные диполи, способные к переориентации) и неполярные (не содержащие ориентирующихся диполей).

В молекулах любого вещества содержатся положительные и отрицательные электрические заряды. Алгебраическая сумма всех зарядов равна нулю, когда вещество не наэлектризовано, т. е. электрически нейтрально. Однако пространственное расположение зарядов в молекуле у каждого вещества различно. Если заменить все положительные заряды молекулы одним суммарным, считая его расположенным в центре тяжести отдельных положительных зарядов, и такое же суммирование провести для отрицательных зарядов, то эти суммарные точечные заряды могут либо не совпадать в пространстве друг с другом, либо совпадать.

В первом случае молекула даже в отсутствие внешнего электрического поля будет представлять собой электрический диполь с отличным от нуля постоянным электрическим моментом рп = ql, где q- суммарный положительный (отрицательный) заряд молекулы; l - расстояние между суммарными зарядами, т. е. плечо диполя. В большинстве случаев постоянный электрический момент молекул полярных веществ рп = 10-30- 10-29 [Кл× м].

Электрический момент молекулы - величина векторная, направленная от отрицательного заряда -q к положительному заряду +q. У неполярных веществ l = 0 и потому рп = 0.

Независимо от электрических свойств о полярности вещества можно судить по строению его молекул. Молекулы, имеющие симметричное строение и центр симметрии, неполярны, так как центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают с центром симметрии молекулы и l = 0 и рп = 0. Несимметричные молекулы полярны.

Более строго дипольную поляризацию можно объяснить как внесение внешним электрическим полем некоторой упорядоченности в положения полярных молекул, непрерывно совершающих хаотические тепловые движения. Следовательно, дипольная поляризация по своей природе связана с тепловым движением молекул, и на нее оказывает существенное влияние температура.

Дипольная поляризация в простейшем виде проявляется в газах, жидкостях и аморфных вязких веществах.

Процесс установления дипольной поляризации после включения диэлектрика под напряжение требует относительно большого времени. Поляризованность РД дипольной поляризации за время t с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспоненциальному закону:

.

Постоянную времени  этого процесса называют временем релаксации дипольной поляризации. Если период приложенного переменного напряжения меньше , то диполи не успевают ориентироваться вслед за полем. Так как τ обычно имеет порядок 10-6 - 10-10 с, дипольная поляризация проявляется лишь на частотах не ниже 106 - 1010 Гц.

При понижении температуры сильно возрастает.

Миграционная поляризация наблюдается в некоторых диэлектриках и системах изоляции, в частности в неоднородных диэлектриках, особенно с полупроводящими включениями. Этот вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накопления зарядов на границах раздела.

Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленные - секунды, минуты, часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма низких частотах.

 

2.3 Электропроводность диэлектриков

 

Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый незначительный ток, называемый током утечки. Чем выше удельное сопротивление материала r , тем выше качество электроизоляционного материала. Электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.

Во-первых, ввиду очень большого удельного сопротивления диэлектрика, ток через объем участка изоляции - объемный сквозной ток IV - очень мал и сравнимым с ним оказывается ток по поверхности - поверхностный сквозной ток IS. Поэтому необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный ток, полагая общий ток участка изоляции равным

.

Следовательно,  проводимость G = I / U складывается из проводимостей объемной G = IV / U и поверхностной G = IS / U

.

Величины, обратные указанным проводимостям, называют сопротивлениями участка изоляции - объемным RV и поверхностным RS. Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений

.

Под удельным сопротивлением диэлектрика ρ обычно понимают удельное объемное сопротивление, а для характеристики RS вводят понятие удельного поверхностного сопротивления rS.

Второй характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем после подключения постоянного напряжения. В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения Iсм, плотность которого Jсм = D /t. Этот ток прекращается за время порядка постоянной времени RC схемы источник  - которое обычно мало. Однако ток продолжает изменяться и после этого часто в течение минут и даже часов. Медленно меняющуюся составляющую тока, обусловленную перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика, называют током абсорбции Iабс.

Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объемом диэлектрика: часть носителей заряда встречает на своем пути дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все дефекты заполнятся носителями, ток абсорбции прекращается и остается только не изменяющийся во времени сквозной ток Iскв, который обусловлен прохождением носителей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объемного и поверхностного сквозных токов

.

Ток абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определенных местах диэлектрика - дефектах решетки, границах раздела, неоднородностях. Вследствие появления объемных зарядов распределение напряженности поля в диэлектрике становится неоднородным.

 

2.4 Химические свойства диэлектриков

 

При длительной работе диэлектрики не должны разрушаться с выделением побочных продуктов и не вызывать коррозии соприкасающихся с ними металлов; не реагировать с различными веществами (например, газами, водой, кислотами, щелочами, растворами солей и т.п.). Стойкость к действию всех этих веществ у различных диэлектриков весьма разнообразна.

Материалы в производстве деталей могут обрабатываться различными химико-технологическими способами: склеиваться, растворяться в растворителях с образованием лаков и т.д. Растворимость твердых материалов может быть оценена количеством материала, переходящим в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем. Кроме того, нередко оценивают растворимость по тому наибольшему количеству вещества, которое может быть растворено в данном растворе (т.е. по концентрации насыщенного раствора). Легче всего растворяются вещества, близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов; дипольные вещества легче растворяются в дипольных жидкостях, нейтральные – в нейтральных. Так, неполярные или слабополярные углеводороды (парафин, каучук) легко растворяются в жидких углеводородах, например, в бензине; полярные смолы, содержащие гидроксильные группировки (фенолформальдегидные и др. смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации, высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой – весьма трудно. При повышении температуры растворимость обычно увеличивается.

 

3 Лекция. Проводники


3.1 Общие сведения о проводниках

 

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях (в состоянии ионизации) и газы.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление при нормальной температуре не более 0.05 мкОм·м, и сплавы высокого сопротивления с удельным сопротивлением не менее 0.3 мкОм·м.

Особый интерес представляют обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких температурах материалы сверхпроводники и криопроводники.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и электролиты. Для большинства металлов температура плавления высока, только ртуть, имеющая температуру плавления минус 39°С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками только при повышенных температурах.

Механизм прохождения тока в металлах – как в твердом, так и в жидком состоянии – обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы, в частности, водные, кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов в соответствии с законами Фарадея, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода. Например, соляные закалочные ванны с электронагревом.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной проводимостью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительно заряженных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.

 

3.2 Электропроводность металлов

 

Классическая электронная теория металлов представляет проводник в виде системы, состоящей из узлов ионной кристаллической решетки, внутри которой находится электронный газ из свободных электронов. В свободное состояние от каждого атома переходит от одного до двух электронов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. Рассматривая тепловое и направленное под действием электрического поля движение электронов, получили выражение закона Ома. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника, вследствие чего он нагревается. Рассмотрение этого процесса привело к выводу закона Джоуля-Ленца. Т.о., электронная теория металлов дала возможность теоретически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить связь между электро- и теплопроводностью металлов.

Однако появились и противоречия некоторых выводов теории с опытными данными. Они состояли в расхождении кривых температурной зависимости удельного сопротивления, в несоответствии теоретически полученных значений теплоемкости металлов опытным данным.

Эти трудности удалось преодолеть, встав на позиции квантовой механики. В отличие от классической электронной теории квантовая механика полагает, что электронный газ в металлах при обычных температурах находится в состоянии вырождения. В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры, т.е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов. Поэтому теплота не затрачивается на нагрев электронного газа, что и обнаруживается при измерениях теплоемкости металлов. В состояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температурах порядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей теплопроводности и высокой электропроводности.

3.3 Свойства проводников

 

К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся:
- удельная проводимость  или обратная ей величина – удельное

сопротивление;
-температурный коэффициент удельного сопротивления ТК или ;
-теплопроводность

-контактная разность потенциалов и термо-э.д.с.;
          -работа выхода электронов из металла;
          -предел прочности при растяжении  и относительное удлинение при разрыве .

 

3.3.1 Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников.

Связь плотности тока J, А/м2, и напряженности электрического поля Е, В/м, в проводнике дается известной формулой:

Здесь , См/м – параметр проводникового материала, называемый его удельной проводимостью; в соответствии с законом Ома  не зависит от напряженности электрического поля при изменении последней в весьма широких пределах. Величина , oбратная удельной проводимости и называемая удельным сопротивлением, для имеющего сопротивление R проводника длиной l с постоянным поперечным сечением S вычисляется по формуле

ρ = R·S/l.

Единица СИ для удельного сопротивления - Ом·м. Диапазон значений удельного сопротивления ρ металлических проводников при нормальной температуре довольно узок: от 0.016 для серебра и до примерно 10 мкОм·м для железохромоалюминиевых сплавов, т.е. он занимает всего три порядка. Значение удельной проводимости γ в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике, которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению ρ. И с точки зрения волновой теории, рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием порядка четверти длины электронной волны. Нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн.

 

3.3.2 Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов.

Число носителей заряда в металлическом проводнике при повышении температуры остается практически неизменным. Однако вследствие колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного под действием электрического поля движения свободных электронов, т.е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона, уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов, и увеличивается удельное сопротивление. Иными словами, температурный коэффициент удельного сопротивления металлов положителен.

 

3.3.3 Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении.

При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления (см.рисунок 4); однако некоторые металлы при плавлении повышают ρ.



Рисунок 4 -Зависимость удельного сопротивления меди от температуры

 

Скачок соответствует температуре плавления меди 1083°С.

Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех металлов, которые при плавлении увеличивают объем, т.е. уменьшают плотность; у металлов с противоположным характером изменения объема при плавлении (аналогичным фазовому переходу лед-вода) ρ уменьшается.

 

3.3.4 Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях.

Изменение удельного сопротивления при растяжении или сжатии приближенно может оцениваться формулой

ρ = ρ0 (1± σ ·s),

где ρ - удельное сопротивление металла при механическом напряжении σ, ρ0 – удельное сопротивление металла, не подверженного механическому воздействию, s – коэффициент механического напряжения, характеризующий данный металл; знак плюс в формуле соответствует растяжению, минус – сжатию.

Изменение ρ при упругих деформациях объясняется изменением амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии – уменьшаются. Увеличение амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки приводит к уменьшению подвижности носителей зарядов и, как следствие, к возрастанию ρ. Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем отжига удельное сопротивление может быть вновь снижено до первоначального значения.

 

3.3.5 Удельное сопротивление сплавов.

Значительное возрастание ρ наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т.е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию, и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого. ρ имеет максимум, соответствующий некоторому определенному соотношению между содержанием компонентов в сплаве.

Точка 1 соответствует чистому Mg, 2–соединению MgZn, 3 - Mg2Zn3, 4 – MgZn4,  5 – MgZn6, 6 – чистому Zn.

Рисунок 5- Зависимость удельного сопротивления сплавов цинк–магний от состава

Так, Н.С.Курнаков открыл, что в тех случаях, когда при определенном соотношении между компонентами они образуют друг с другом явно выраженные химические соединения (интерметаллиды), на кривых ρ в функции состава наблюдаются изломы (см.рисунок 5).

Исследования А.Ф.Иоффе показали, что многие интерметаллиды являются не веществами с металлическим характером электропроводности, а электронными полупроводниками.

Если же сплав двух металлов создает раздельную кристаллизацию, и структура застывшего сплава представляет собой смесь кристаллов каждого из компонентов (т.е. искажение кристаллической решетки каждого компонента не имеет места), то удельная проводимость γ сплава меняется с изменением состава приблизительно линейно, т.е. определяется арифметическим правилом смешения (см. рисунок 6).

 

Рисунок 6 - Зависимость удельной проводимости сплавов медь – вольфрам от состава (в процентах по массе)

 

3.3.6  Теплопроводность металлов.

За передачу тепла через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов, и количество которых в единице объема весьма велико. Поэтому, как правило, теплопроводность γт металлов намного больше, чем теплопроводность диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость γ металла, тем больше должна быть и его теплопроводность. Легко также видеть, что при повышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость уменьшаются, отношение γт/γ должно возрастать.

Чистота и характер механической обработки металла могут заметно сказываться на его теплопроводности, в особенности при низких температурах.

 

3.3.7      Термоэлектродвижущая сила.

При соприкосновении двух металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина ее появления заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Из электронной теории металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В равна

,

где UА и UВ – потенциалы соприкасающихся металлов; nА и nВ – концентрации электронов в металлах А и В.

Если температуры “спаев” одинаковы, то сумма разностей потенциалов равна нулю. Иначе обстоит дело, когда один металл имеет температуру Т1, а другой – Т2.



Рисунок 7- Схема термопары

 

В этом случае между “спаями” возникает термо-э.д.с., равная

,

что можно записать в виде

,

где с – постоянный для данной пары проводников коэффициент термо-э.д.с., т.е. термо-э.д.с. должна быть пропорциональна разности температур металлов.

Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов или сплавов (термопара), может быть использован для измерения температур.

 

3.3.8 Механические свойства проводников.

Они характеризуются пределом прочности при растяжении σр и относительным удлинением при разрыве Δl/l, а так же хрупкостью, твердостью и тому подобными свойствами. Механические свойства металлических проводников в большой степени зависят от механической и термической обработки, от наличия легирующих примесей и т.п. Влияние отжига приводит к существенному уменьшению σр и увеличению Δl/l. Такие параметры проводниковых материалов, как температуры кипения и плавления, удельная теплоемкость и др., не требуют особых пояснений.

 

3.4 Материалы высокой проводимости

 

К наиболее широкораспространенным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий.

Как уже отмечалось, при понижении температуры удельное сопротивление металлов падает. Представляет особый интерес вопрос об электропроводности металлов при весьма низких температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление практически бесконечной электрической проводимости материала, называется сверхпроводимостью, а температура, при охлаждении до которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние – температурой сверхпроводникового перехода Тс. Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым: при повышении температуры до Тс сверхпроводимость разрушается и материал переходит в нормальное состояние, приобретая конечное значение удельной проводимости γ. В настоящее время известно 27 простых (чистых металлов) и более тысячи сложных (сплавов и химических соединений).

В то же время некоторые вещества, в том числе такие наилучшие проводниковые материалы, как серебро и медь, при наиболее низких, достигнутых в настоящее время температурах (порядка тысячных долей Кельвина; согласно третьему закону термодинамики, абсолютный нуль температуры принципиально недостижим) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось. Интересно отметить, что сверхпроводниками могут быть не только соединения и сплавы металлов, обладающих сверхпроводимостью, но и соединения таких элементов с несверхпроводящими и даже соединения, в состав молекул которых входят исключительно атомы элементов, не являющихся сверхпроводящими.

Помимо сверхпроводящих электромагнитов можно отметить возможности использования сверхпроводников для создания электрических машин, трансформаторов и тому подобных устройств малой массы и габаритов, но с высокими к.п.д.; линий электропередачи весьма больших мощностей на дальние расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и пр.

Помимо явления сверхпроводимости в современной электротехнике все шире используется явление криопроводимости, т.е. достижение некоторыми металлами весьма малой удельной проводимости при криогенных температурах (но более высоких, чем температура сверхпроводникового перехода, если данный металл вообще принадлежит к сверхпроводникам). Материалы, обладающие особо благоприятными свойствами для применения в качестве проводников в условиях криогеннных температур, называются криопроводниками или гиперпроводниками.

Весьма малое, но все же конечное значение удельного сопротивления криопроводника при его рабочей температуре ограничивает допустимую плотность тока в нем, хотя эта плотность может быть намного выше, чем в обычных проводниках. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широких пределах удельное сопротивление изменяется плавно, без скачков, не могут использоваться в ряде устройств, действие которых основано на триггерном эффекте появления и разрушения сверхпроводимости. Однако применение криопроводников в электрических машинах, аппаратах, кабелях и т.п. имеет и свои преимущества, притом весьма существенные. Так, если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяется жидкий гелий, рабочая температура криопроводников достигается применением более высококипящих и дешевых хладоагентов: жидкого водорода или даже жидкого азота. Это значительно упрощает и удешевляет выполнение и эксплуатацию устройства. Кроме того, в сверхпроводниковом устройстве, например электромагните, по обмотке которого проходит сильный ток, накапливается большая энергия магнитного поля. Если из-за случайного повышения температуры или магнитной индукции хотя бы на малом участке сверхпроводящего контура сверхпроводимость будет разрушена, внезапно освободится большое количество энергии, что может вызвать серьезную аварию. В случае же криопроводниковой цепи повышение температуры вызовет лишь постепенное возрастание сопротивления этой цепи без эффекта взрыва.

Во всех случаях для получения криопроводниковых материалов требуется высокая чистота металла и отсутствие наклепа. Вредное влияние примесей и наклепа на ρ металлов при криогенных температурах сказывается намного сильнее, чем при нормальных. Криопроводники могут с успехом использоваться для обмоток электрических машин и трансформаторов, для токопроводящих жил кабелей и т.п.

 

4 Лекция. Полупроводники

 

4.1 Общие сведения

 

Все полупроводниковые материалы делятся на простые полупроводники (ПП) или элементы, полупроводниковые химические соединения и полупроводниковые комплексы. В последнее время также изучаются стеклообразные и жидкие полупроводники. Простых ПП существует около десяти. В современной технике особое значение приобрели кремний (Si), германий (Ge) и, частично, селен (Se).

 

Таблица 1 – Характеристики простых полупроводников

Материалы

Атомный №

DW, эВ

Подвижность электронов, см2/В *с

Подвижность дырок, см2/В *с

Ge

32

0,67

3900

1900

Si

14

1,12

1400

500

Se

34

1,79

-

0,2*10-4

Полупроводниковыми химическими соединениями являются соединения элементов различных групп таблицы Менделеева, соответствующие общим формулам АIIВVI (CdS, ZnSe), АIIIВV(InSb, GaAs, GaP), АIVВVI (PbS, PbSe, PbTe), также некоторые оксиды и вещества сложного состава.

 

Таблица 2 – Характеристики полупроводниковых материалов типа

AIII BV         

Материалы

DW, эВ

Подвижность электронов, см2/В*с

Подвижность дырок, см2/В*с

GaSb

0,7

5000

800

InSb

0,18

80000

1000

GaAs

1,4

8500

400

InAs

0,35

30000

500

 

 

Таблица 3 – Характеристики полупроводниковых материалов типа

AII BVI

Материалы

DW, эВ

Подвижность электронов, см2/В*с

Подвижность дырок, см2/В*с

ZnS

3,74

140

5

CdS

2,53

340

110

HgS

1,78

700

-

ZnSe

2,73

260

15

 

Таблица 4 – Характеристики полупроводниковых материалов типа

AIVBVI

Материалы

DW, эВ

Подвижность электронов, см2/В*с

Подвижность дырок, см2/В*с

PbS

0,39

600

700

CdS

0,27

1200

1000

HgS

0,32

1800

900

 

К полупроводниковым комплексам можно отнести вещества с полупроводящей или проводящей фазой карбида кремния, графита, сцепленных керамической или другой связкой. Наиболее распространенными из них являются тирит, силит и др. c шириной запрещенной зоны 0.75 ч 1.35 эВ.

 

4.2 Собственные (чистые) полупроводники

 

На внешней оболочке атомов простых полупроводников имеется четыре валентных электрона. Когда атомы связываются в кристаллическую решетку, эти электроны становятся общими для ближайших четырех атомов, такая связь называется ковалентной.

 



Рисунок 8 - Кристаллическая решетка собственного полупроводника

 

В невозбужденном состоянии свободных электронов нет. Но при внешнем энергетическом воздействии какому-либо электрону сообщается дополнительная энергия, он отрывается от атома и начинает свободно перемещаться по кристаллу. Но при этом на его месте образуется электронная дырка. Т.о.,  процесс генерации носителей в собственном полупроводнике – образование электронно-дырочной пары. А процесс исчезновения этой пары, т.е., когда дырка встречается с электроном – рекомбинация.

Дырки и электроны, образованные в процессе генерации, есть собственные носители зарядов ni , pi.

 

4.2.1 Концентрация собственных носителей заряда.

Так как при каждом акте возбуждения в собственном полупроводнике одновременно образуются два заряда, противоположных по знаку, то общее количество носителей будет в два раза больше числа электронов в зоне проводимости, т.е.

noi=poi, noi+poi=2 noi.

В результате процессов генерации и рекомбинации при любой температуре тела устанавливается равновесная концентрация возбужденных носителей:

электронов

noi=2Ncexp( ),

дырок

poi=2NBexp( ),

гдеW-ширина запрещенной зоны полупроводника, Nc - эффективная плотность состояния (число энергетических уровней в единице объема ПП) в свободной зоне, NB-то же в валентной зоне.
Коэффициент 2 показывает, что на каждом уровне могут находиться по два электрона с противоположными спинами. -постоянная Больцмана.
В случае собственной электропроводности

ni=pi, но Jn > Jp,

т.к. подвижность электрона больше подвижности дырки. А подвижность µ есть отношение скорости перемещения носителя к напряженности электрического поля в ПП

.

 Следовательно, в поле кристаллической решетки электроны и дырки обладают различной инерционностью, т.е. отличаются друг от друга эффективными массами. В большинстве случаев, следовательно, собственная электропроводность полупроводника имеет слабо преобладающий электронный характер.

 

4.3 Примесные полупроводники

 

Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Поэтому в практике важное значение имеют такие полупроводниковые материалы, у которых ощутимая концентрация собственных носителей заряда наблюдается при достаточно высокой температуре, т.е. с большой шириной запрещенной зоны. Поставщиками свободных носителей зарядов в рабочем интервале температур в таких ПП являются примеси.

Примесями в простых полупроводниках являются чужеродные атомы. В химических же соединениях это не только чужеродные атомы, но и атомы тех самых элементов, избыточные по стехиометрическому составу. Кроме того, роль примесей играют дефекты кристаллической решетки.

Рассмотрим роль примесей, атомы которых создают дискретные энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника.

 

4.3.1 Донорные примеси

Если в кристаллическую решетку IV валентного элемента ввести атом элемента с валентностью V, то четыре электрона на его внешней оболочке свяжутся с четырьмя атомами IV валентного элемента, а один электрон становится избыточным, слабосвязанным со своим атомом. Он под влиянием тепловой энергии начнет свободно блуждать по полупроводнику, а под воздействием электрического поля он станет направленно перемещаться (электропроводность типа n), а атом, отдавший электрон, будет неподвижно находиться в данном месте решетки полупроводника (см.рисунок 9).

С точки зрения энергетических диаграмм донорные примеси образуют заполненные энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. При этом энергия активации примесных атомов меньше ширины запрещенной зоны, поэтому при нагреве тела переброс электронов примеси будет опережать возбуждение электронов решетки (см.рисунок 10).

 

 

Рисунок 9- Схематическое изображение кристаллической решетки Ge

с донорной примесью мышьяка

 


Рисунок 10 - Энергетическая диаграмма донорного полупроводника

 

4.3.2 Акцепторные примеси.

Если в решетку IV валентного полупроводника ввести III элемент, например, бор, то он установит три ковалентные связи с атомами германия, для связи с четвертым атомом германия у атома бора нет электрона. Таким образом, у нескольких атомов германия будет по одному электрону без ковалентной связи. Достаточно теперь небольших внешних воздействий, чтобы эти электроны покинули свои места, образовав дырки у атомов германия. Освободившиеся электроны, захваченные атомами бора, не могут создать электрический ток. А дырки у атомов германия позволяют электронам с соседних атомов перейти на них, освобождая другие дырки. Т.о., положительно заряженная дырка будет перемещаться по кристаллу, а под действием поля возникает примесный дырочный ток (см.рисунок 11).

С точки зрения зонной теории, акцепторная примесь образует незаполненные энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны (см.рисунок 12). Тепловое возбуждение будет в первую очередь перебрасывать электроны из валентной зоны на эти энергетические уровни. Ввиду разобщенности атомов примеси, электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в образовании электрического тока. Такой полупроводник будет иметь концентрацию дырок, большую концентрации электронов, перешедших из валентной зоны в зону проводимости. И его относят к полупроводнику p-типа.

 



Рисунок 11 - Схематическое изображение кристаллической решетки Ge с акцепторной примесью In

 



Рисунок 12 -  Энергетическая диаграмма акцепторного полупроводника.

 

4.3.3 Основные и неосновные носители зарядов.

Те носители, концентрация которых в данном полупроводнике больше, носят название основных, а те, которых меньше – неосновных. Так, в полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями зарядов, а дырки – неосновными (nn и pn соответственно). Концентрация свободных электронов в зоне проводимости может быть различной. В большинстве случаев используются слаболегированные полупроводники; электроны в этом случае заполняют незначительную часть уровней в зоне проводимости.

Такое состояние называют невырожденным. В полупроводнике p-типа основные носители – дырки (pp), а неосновные – электроны (np). Примесная

электропроводность для своего появления требует меньших энергетических воздействий (сотые или десятые доли электронвольта), чем собственная, поэтому она обнаруживается при более низкой температуре, чем собственная электропроводность полупроводника. В примесном полупроводнике при данной температуре справедливо соотношение

p·n = ni2.

При нормальной температуре можно считать, что все примеси ионизированы. Тогда, например, в электронном полупроводнике концентрация основных носителей

nn ≈ Nд, а pn ≈ ni2/Nд,

а в дырочном

pp ≈ Na, a np ≈ ni2/Na.

 

4.4 Электропроводность полупроводников

 

Полупроводник, не содержащий примесей, в нормальных условиях обладает так называемой собственной проводимостью или проводимостью типа i. Собственная проводимость обусловлена генерацией пар “электрон-дырка”. Если концентрация электронов в зоне проводимости – ni , а дырок в валентной зоне – pi и ni = pi, то собственная проводимость полупроводника

σi = ni е (μn + μp).

В примесном полупроводнике np, поэтому электропроводность выражается следующей формулой

σ = е (μnn + μpp).

 

4.5 Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников

 

4.5.1. Влияние температуры на электропроводность полупроводников.

В широком диапазоне температур и для различного содержания примесей имеют место температурные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа, изображенные на рисунке 13.



Рисунок 13 - Типичные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике от температуры при различной концентрации донорной примеси

 

В области низких температур участок нижней ломаной между точками а и б характеризует только концентрацию носителей, обусловленную примесями. Наклон прямой на этом участке определяется энергией активации примесей. С увеличением температуры число носителей, поставляемых примесями, возрастает, пока не истощатся электронные ресурсы примесных атомов (точка б). На участке б – в примеси уже истощены, перехода электронов через запрещенную зону еще не обнаруживается. Участок кривой с постоянной концентрацией носителей заряда называют областью истощения примесей. В дальнейшем температура настолько велика, что начинается быстрый рост концентрации носителей вследствие перехода электронов через запрещенную зону (участок в – и). Наклон этого участка характеризует ширину запрещенной зоны полупроводника. Угол наклона участка а – б зависит от концентрации примесей.

Вторая компонента, обуславливающая электропроводность полупроводников – подвижность носителей заряда. При повышении температуры энергия электронов, а следовательно, и подвижность увеличивается. Но, начиная с некоторой температуры Т,  усиливаются колебания узлов кристаллической решетки полупроводника, которые мешают перемещению свободных носителей зарядов. Следовательно, их подвижность падает (см.рисунок 14).



Рисунок 14 - Зависимость подвижности носителей заряда в полупроводниках от температуры.

 

Рассмотрев влияние температуры на концентрацию и подвижность носителей заряда, можно представить и характер изменения удельной проводимости при изменении температуры (см. рисунок 15).

В ПП с атомной и ионной кристаллической решеткой подвижность меняется при изменении температуры сравнительно слабо (по степенному закону), а концентрации – очень сильно (по экспоненциальному). Поэтому температурная зависимость удельной проводимости похожа на температурную зависимость концентрации. В области истощения (концентрация постоянна) изменение удельной проводимости обусловлено температурной зависимостью подвижности.

 

 

Рисунок 15 - Кривые зависимости удельной проводимости полупроводников от температуры при различных концентрациях примеси (NД1>NД2>NД3).

 

При Т=0К электроны не обладают подвижностью, поэтому ПП становятся диэлектриками.

 

4.5.2 Влияние деформации на электропроводность полупроводника

Электропроводность твердых кристаллических тел изменяется от деформации вследствие увеличения или уменьшения межатомных расстояний, приводящего к изменению концентрации и подвижности носителей зарядов. Подвижность носителей изменяется из-за изменения амплитуды колебания узлов кристаллической решетки при их сближении или удалении.

Величиной, численно характеризующей изменение удельной проводимости полупроводников при определенном виде деформации, является тензочувствительность

которая представляет собой отношение относительного изменения удельного сопротивления полупроводника к относительной деформации в данном направлении.

 

4.5.3 Влияние света на электропроводность полупроводника.

Световая энергия, поглощаемая полупроводником, вызывает появление в нем избыточного (по сравнению с равновесным при данной температуре) количества носителей зарядов, приводящего к возрастанию электропроводности.

Фотопроводимостью называют увеличение электрической проводимости вещества под действием электромагнитного излучения.

Изменение электрических свойств полупроводника под действием электромагнитного излучения носит временный характер. После прекращения облучения проводимость более или менее быстро возвращается к тому значению, которое она имела до облучения. У одних полупроводников это длится микросекунды, у других измеряется минутами и, даже, часами. Знание инерционности фотопроводимости различных полупроводниковых веществ важно при разработке, например, фоторезисторов, к которым предъявляются высокие требования в отношении их быстродействия.

Кроме того, по быстроте возрастания или затухания фотопроводимости соответственно после включения или выключения света, можно определить время жизни t0 неравновесных носителей заряд в ПП.

Неравновесное состояние полупроводника возникает под влиянием каких-либо внешних или внутренних воздействий, в результате которых равновесная концентрация носителей заряда в полупроводнике может измениться. Такими внешними воздействиями могут быть не только облучение светом, но и ионизирующее облучение, воздействие сильного электрического воля, приводящее к разрыву ковалентных связей, и ряд других. В результате подобных воздействий в полупроводнике помимо равновесных носителей заряда, образующихся вследствие ионизации примесных атомов и тепловой генерации, появляются дополнительные носители заряда, которые называют неравновесными или избыточными. В полупроводниковых приборах неравновесное состояние в большинстве случаев возникает при введении в полупроводник (или выведении из него) дополнительных носителей заряда через электронно-дырочный переход.

После прекращения этого воздействия электроны и дырки рекомбинируют  и концентрация вновь становится равновесной.

До внешнего воздействия на полупроводник он находился в электрически нейтральном состоянии, при этом скорость тепловой генерации G, была равна скорости рекомбинации R.

В неравновесном состоянии это равенство нарушается. Появляются избыточные (неравновесные) носители, концентрация которых со временем уменьшается. Интервал времени, в течение которого концентрация избыточных носителей заряда уменьшается в е раз, называют временем жизни неравновесных носителей заряда.

При генерации резко возрастает число неосновных носителей заряда (ННЗ). Количество основных (ОНЗ) также возрастает, но относительное изменение их концентрации при этом незначительно (ННЗ<<ННЗ). Поэтому, время жизни избыточных (неравновесных) носителей заряда определяется временем жизни неосновных носителей заряда.

Время жизни зависит от вероятности рекомбинации. Прямая рекомбинация (см. рисунок 16,а), т.е. из зоны в зону, маловероятна, т.к. вероятность встречи двух движущихся хаотически электронов и дырок крайне мала. Максимальное время жизни при прямозонной рекомбинации бывает в собственном полупроводнике и оно не зависит от температуры. Такой механизм преобладает в GaAs.

Практически рекомбинация электронов и дырок происходит с участием ловушек, энергетические уровни которых находятся в запрещенной зоне полупроводника. В этом случае рекомбинация протекает в два этапа: сначала электрон переходит из зоны проводимости на свободный энергетический уровень ловушки, а затем на свободный энергетический уровень валентной зоны (см.рисунок 17,б,в).

 
Рисунок 16-  Прямая рекомбинация и рекомбинация на освободившийся уровень ловушки

.

 

Рисунок 17 - Косвенная рекомбинация, через незаполненные уровни примеси б) и заполненные в)

 

Второй механизм рекомбинации более вероятен, т.к. здесь движется только один носитель заряда, и вероятность сближения их на расстояние, при котором возможна рекомбинация (≈0,1 нм), значительно выше, чем в случае, когда оба носителя заряда перемещаются по кристаллу.

При таком механизме максимальная скорость рекомбинации неравновесных носителей будет, если центры захвата находятся вблизи середины запрещенной зоны.

Веществами, имеющими энергетические уровни вблизи середины запрещенной зоны полупроводника,  являются медь, никель, кобальт, золото. Дефекты решетки, донорные и акцепторные примеси также могут создавать центры рекомбинации.

Чем больше дефектов в кристаллической структуре, тем меньше время жизни неосновных носителей заряда.

Время жизни неравновесных носителей зависит от вероятности заполнения ловушек, которая определяется концентрацией примесей и температурой.

При повышении концентрации примесей вероятность рекомбинации возрастает, и время жизни неравновесных носителей уменьшается. При увеличении температуры происходит дополнительная генерация электронно-дырочных пар, вследствие чего увеличивается время жизни tp в электронном полупроводнике и время жизни tn в дырочном полупроводнике.

Расстояние, на котором в однородном полупроводнике при одномерной диффузии в отсутствие электрического и магнитного полей избыточная концентрация неравновесных носителей уменьшится в 2.7 раза, т.е. среднее расстояние, на которое носители диффундировали за время жизни, называется диффузионной длиной.

Решая уравнение диффузии, можно получить выражение, связывающее диффузионную длину с временем жизни

Ln = √Dtn , Lp = √ Dp· tp,

где D – коэффициент диффузии носителей заряда соответствующего типа.

 

4.5.4 Влияние сильных электрических полей на электропроводность полупроводников.

В сильных электрических полях нарушается пропорциональность между плотностью тока в полупроводнике и напряженностью внешнего электрического поля

J = γ× E,

где J – плотность тока, γ- коэффициент пропорциональности, Е- напряженность внешнего электрического поля.

Это является следствием физических процессов, вызывающих изменение удельной проводимости полупроводника. Напряженность поля, которую условно можно принять за границу между областью слабых 1 и сильных 2 полей (см.рисунок 18), называют критической Екр.


Рисунок 18 - Зависимость электропроводности от напряжения электрического поля

 

Эта граница не является резкой и определенной и зависит от природы полупроводника, концентрации примесей и температуры окружающей среды. Для ряда ПП зависимость удельной проводимости от напряженности поля описывается выражением:

γЕ = γ× exp b √Е,

где γ- удельная проводимость полупроводника при Е< Екр, b - коэффициент, характеризующий полупроводник.

 Возрастание проводимости обусловлено ростом числа носителей заряда, т.к. под влиянием поля они более легко освобождаются тепловым возбуждением. При дальнейшем росте поля может появиться механизм ударной ионизации, приводящий к разрушению структуры полупроводника.

 

4.6 Токи в полупроводниках

 

4.6.1 Дрейфовый ток

Электроны и дырки в кристалле находятся в состоянии хаотического теплового движения. При возникновении электрического поля на хаотическое движение накладывается компонента направленного движения, обусловленная действием этого поля. В результате электроны и дырки начинают перемещаться вдоль кристалла – возникает электрический ток, который называют дрейфовым.



Рисунок 19 - Перемещение заряженных частиц под действием электрического поля в полупроводнике

 

 

4.6.2 Диффузионный ток.

Причиной, вызывающей ток в полупроводнике, может быть не только электрическое поле, но и градиент концентрации подвижных носителей заряда.

Если тело электрически нейтрально и в любой его микрообласти суммарный положительный и отрицательный заряд равен нулю, то различие в концентрациях носителей заряда в соседних областях не приведет к появлению электрического тока и электрических сил расталкивания, выравнивающих концентрацию. Но в соответствии с общими законами теплового движения возникнет диффузия микрочастиц из области с большей их концентрацией в область с меньшей, причем плотность диффузионного тока пропорциональна градиенту концентрации носителей заряда:

Jp диф = - е Dp dp/dx,

где Dp – коэффициент диффузии дырок, dp/dx – градиент концентрации дырок, “-” - указывает, что диффузионный дырочный ток направлен в сторону уменьшения концентрации дырок.

Jn диф = e Dn dn/dx.

Отсутствие минуса говорит лишь о том, что направление электрического тока, принятого в электротехнике, противоположно направлению потока электронов, а этот поток также движется в сторону уменьшения концентрации.

В общем случае в полупроводнике могут существовать и электрическое поле, и градиент концентрации носителей заряда. Тогда ток в полупроводнике будет иметь как дрейфовую, так и диффузионную составляющие.

 

4.7 Германий

 

Существование и основные свойства германия предсказал в 1870г Д.И.Менделеев, назвав его экосилицием. В 1886г немецкий химик Винклер обнаружил в минеральном сырье новый элемент, который назвал германием. Германий оказался тождественным экосилицию. Открытие германия явилось торжеством Периодического закона Д.И.Менделеева.

Германий относится к числу сильно рассеянных элементов, т.е. часто встречающихся в природе, но присутствует в различных минералах в очень небольших количествах. Его содержание в земной коре составляет около 7·10-4 %, что примерно равно природным запасам таких распространенных металлов, как олово и свинец и существенно превышает количество серебра, кадмия, ртути, сурьмы и др. Тем не менее, получение германия в элементарном виде вызывает большие затруднения. В настоящее время основными источниками промышленного получения германия являются побочные продукты цинкового производства, коксования углей, а также германиевые концентраты, получаемые из медносвинцовоцинковых руд.

Чистый германий обладает металлическим блеском, характеризуется относительно высокой твердостью и хрупкостью, подобно кремнию, он кристаллизуется в структуру алмаза.

Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. При нагревании его до 650°С он окисляется с образованием двуокиси GeO2.

При комнатной температуре германий не растворяется в воде, соляной и разбавленной серной кислотах. Активные растворители – смесь азотной и плавиковой кислот.

Германий обладает относительно невысокой температурой плавления - 936°С и ничтожно малым давлением насыщенного пара при этой температуре. Ширина запрещенной зоны при изменении температуры изменяется по линейному закону.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют германий с определенными добавками электрически активных примесей. На основе германия выпускается широкая номенклатура приборов самого различного назначения и, в первую очередь, диодов и транзисторов.

Выпрямительные плоскостные диоды рассчитаны на прямые токи от 0.3 до 1000 А при падении напряжения не более 0.5 В. Недостатком германиевых диодов являются достаточно невысокие обратные напряжения. Германиевые транзисторы могут быть низко- и высокочастотными (НЧ и ВЧ), мощными и маломощными.

Германий используют также для создания лавинно-пролетных и туннельных диодов, варикапов, точечных ВЧ, импульсных и СВЧ-диодов. В импульсных диодах для достижения высокой скорости переключения требуется материал с малым временем жизни неравновесных носителей заряда. Этому требованию удовлетворяет германий, легированный золотом.

Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда, германий применяют для изготовления датчиков Холла и других магниточувствительных приборов.

Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптических линз с большой светосилой, оптических фильтров, а также счетчиков ядерных частиц. Рабочий диапазон германиевых приборов от -60°С до +70°С.

 

4.8 Кремний

 

В противоположность германию, кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре, где его содержится 29.5% по массе. По распространенности кремний занимает второе место после кислорода. Многочисленные соединения кремния входят в большинство горных пород и минералов. Песок и глина также представляют собой соединения кремния.

Исходным сырьем при получении кремния является кремнезем, из которого кремний восстанавливают углеродосодержащим материалом в электрических печах.

Кремний кристаллизуется в структуру алмаза с несколько меньшим, чем у германия периодом идентичности кристаллической решетки. Меньшие, чем у германия расстояния между атомами в решетке обуславливают более сильную ковалентную связь и, как следствие этого, более широкую запрещенную зону.

В химическом отношении кремний является относительно инертным веществом. Он не растворим в воде, не реагирует со многими кислотами в любой концентрации. Растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот и в кипящих щелочах. Кремний устойчив на воздухе при нагревании до 900°С. Выше этой Т° он начинает активно окисляться с образованием двуокиси кремния SiO2.

Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии отличается высокой химической активностью.

Благодаря более широкой запрещенной зоне собственное удельное сопротивление кремния на три с лишним порядка превосходит собственное сопротивление германия.

Кремний является базовым материалом при изготовлении планарных транзисторов и интегральных микросхем.

Несмотря на интенсивное развитие интегральной микроэлектроники, в общем объеме выпуска ПП изделий значительную долю составляют кремниевые дискретные приборы. Из кремния изготавливают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, НЧ и ВЧ, мощные и маломощные биполярные транзисторы, полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью. Рабочие частоты планарных транзисторов достигают 10 ГГц.

Кремниевые плоскостные выпрямительные диоды могут выдерживать обратные напряжения до 1500В, существенно превосходя по этим параметрам германиевые. Из кремния изготавливают большинство стабилитронов и тиристоров. Кремниевые стабилитроны в зависимости от степени легирования материала имеют напряжение стабилизации от 3 до 400 В.

Широкое применение в технике нашли кремниевые фоточувствительные приборы, особенно фотодиоды, отличающиеся высоким быстродействием. Для системы энергоснабжения космических аппаратов используются кремниевые солнечные батареи.

Подобно германию, кремний используется для изготовления детекторов ядерных излучений, датчиков Холла и тензодатчиков.

Благодаря более широкой запрещенной зоне, кремниевые приборы могут работать при более высоких температурах, чем германиевые. Верхний предел для них 180-200°С.

 

 

5 Лекция. Магнитные материалы

 

Магнитные материалы в электро- и радиосвязи играют столь же важную роль, как проводниковые и диэлектрические материалы. В электрических машинах, трансформаторах, дросселях, электрорадиоаппаратуре и измерительных приборах всегда в том или ином виде используют магнитные материалы: в качестве магнитопровода, в виде постоянных магнитов или для экранирования магнитных полей.

Любое вещество, будучи помещенным в магнитное поле, приобретает некоторый магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема называют намагниченностью Jм

Jм=M/V.

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля

Jм=kмH,

где kм – безразмерная величина, характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле и называемая магнитной восприимчивостью.

Первопричиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими токами являются орбитальные спины и орбитальное вращение электронов в атоме. Магнитные моменты протонов и нейтронов примерно в 1000 раз меньше магнитного момента электрона, поэтому магнитные свойства атома целиком определяются электронами, магнитным моментом ядра можно пренебречь.

 

5.1 Классификация веществ по магнитным свойствам

 

По реакции на внешнее магнитное поле и по характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно разделить на пять групп:

-диамагнетики;
-парамагнетики;
-ферромагнетики;
-антиферромагнетики;
-ферримагнетики.

Диамагнетики – магнитная проницаемость m меньше единицы и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электрона при внесении атома в магнитное поле.

Диамагнитный эффект является универсальным, присущим всем веществам. Однако в большинстве случаев он маскируется более сильными магнитными эффектами.

К диамагнетикам относят инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть и др.), большинство полупроводников и органических соединений. Диамагнетики – все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.

Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.

Парамагнетики – вещества с m больше единицы, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля.

Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении.

Парамагнетики, помещенные в магнитное поле, втягиваются в него.

К числу парамагнетиков относятся: кислород, окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

Парамагнитный эффект по физической природе во многом сходен с дипольно-релаксационной поляризацией диэлектриков.

К ферромагнетикам относят вещества с большой магнитной проницаемостью (до106), сильно зависящей от напряженности внешнего магнитного поля и температуры.

Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях.

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры Т° спонтанно возникает антипараллельная ориентация магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки.

При нагревании антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Tm и др.)

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Магнитная проницаемость у них высока и сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом – различные оксидные соединения, а главный интерес представляют ферриты.

Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют собой сильномагнитные материалы и представляют наибольший интерес.

 

 

5.2 Магнитные характеристики материалов

 

Поведение ферромагнитного материала в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания:



Рисунок 20 - Начальная кривая намагничивания

 

Кривая показывает зависимость магнитной индукции В в материале от напряженности магнитного поля Н.

Свойства магнитных материалов оценивают магнитными характеристиками. Рассмотрим основные из них.

 

5.2.1 Абсолютная магнитная проницаемость.

Абсолютная магнитная проницаемость mа материала представляет собой отношение магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н в заданной точке кривой намагничивания для данного материала и выражается в Гн/м

а=В/Н.

Относительная магнитная проницаемость материала  есть отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной

,

где μ0 – характеризует магнитное поле в вакууме (0=1.256637·10-6 Гн/м).

Абсолютная магнитная проницаемость применяется только для расчетов. Для оценки же свойств магнитных материалов используют , не зависящую от выбранной системы единиц. Ее называют магнитной проницаемостью. Магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля (см. рисунок 21).

Различают начальную  и максимальную магнитную проницаемость . Начальную измеряют при напряженностях магнитного поля, близких к нулю.

Большие значения  и  показывают, что данный материал легко намагничивается в слабых и сильных магнитных полях.

 



Рисунок 21 -  Зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля

 

5.2.2 Температурный коэффициент магнитной проницаемости

Температурный коэффициент магнитной проницаемости ТК позволяет оценить характер изменения  в зависимости

ТКμ= ( μ2 - μ1)/ μ12 – Т1) [1/°].

Типичная зависимость μ от Т° приведена на рисунке 22.



Рисунок 22 - Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры

 

Т°, при которой μ падает почти до нуля называется температурой Кюри Тк. При Т > Тк процесс намагничивания расстраивается из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул материала, следовательно, материал перестает быть ферромагнитным.

Так, для чистого железа Тк=768°C, для никеля Тк = 358°C,
для кобальта Тк = 1131°C.

5.2.3 Индукция насыщения

Индукция Вs, характерная для всех магнитных материалов, называется индукцией насыщения (см.рисунок 23). Чем больше Вs при заданной Н, тем лучше магнитный материал.

Если образец магнитного материала намагничивать, непрерывно повышая напряженность магнитного поля Н, магнитная индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой начального намагничивания:

 

 

Рисунок 23 - Петля гистерезиса магнитного материала

 

Эта кривая заканчивается в точке, соответствующей индукции насыщения Вs. При уменьшении Н индукция тоже будет уменьшаться, но начиная с величины Вm значения В не будут совпадать с начальной кривой намагничивания.

 

5.2.4 Остаточная магнитная индукция

Остаточная магнитная индукция Вr наблюдается в ферромагнитном материале, когда Н=0. Для размагничивания образца надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на противоположное – Н. Напряженность поля, при которой индукция становится равной нулю, называется коэрцитивной силой Нс. Чем больше Нс, тем в меньшей степени материал способен размагничиваться.

Если после размагничивания материала намагничивать его в противоположном направлении, образуется замкнутая петля, которую называют предельной петлей гистерезиса – петля, снятая при плавном изменении напряженности магнитного поля от +Н до –Н, когда магнитная индукция становится равной индукции насыщения Вs.

 

5.2.5 Удельные потери на гистерезис.

Это потери Pг, затрачиваемые на перемагничивание единицы массы материала за один цикл [Вт/кг]. Их величина зависит от частоты перемагничивания и значения максимальной индукции. Они определяются (за один цикл) площадью петли гистерезиса.

 

5.2.6 Динамическая петля гистерезиса.

Она образуется при перемагничивании материала переменным магнитным полем и имеет большую площадь, чем статическая, т.к. при действии переменного магнитного поля кроме потерь на гистерезис возникают потери на вихревые токи и магнитное последействие (отставание по времени параметров от Н), которое определяется магнитной вязкостью материала.

5.2.7 Потери энергии на вихревые токи.

Потери энергии на вихревые токи Рв зависят от удельного электрического сопротивления материала ρ. Чем больше ρ, тем меньше потери. Рв также зависят от плотности материала и его толщины. Они пропорциональны квадрату амплитуды магнитной индукции Вm и частоты f переменного поля.

 

5.2.8 Коэффициент прямоугольности петли гистерезиса.

Для оценки формы гистерезисной петли пользуются коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса:

Кп = Вrm.

Чем больше Кп, тем прямоугольнее петля. Для магнитных материалов, применяемых в автоматике и ЗУ ЭВМ, Кп = 0.7-0.9.

 

5.2.9 Удельная объемная энергия.

Это характеристика, применяемая доля оценки свойств магнитно-твердых материалов, выражается формулой

Wм = 1/2(Bd·Hd),

где Bd и Hd соответственно индукция и напряженность магнитного поля, соответствующие максимальному значению удельной объемной энергии (см. рисунок 24).



Рисунок 24 -  Кривые размагничивания и магнитной энергии

 

Чем больше объемная энергия, тем лучше магнитный материал и постоянный магнит, из него изготовленный.

 

5.3 Классификация магнитных материалов

 

Согласно поведению в магнитном поле все магнитные материалы делятся на две основные группы – магнитно-мягкие (МММ) и магнитно-твердые (МТМ). МММ характеризуются большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемостью и малыми значениями коэрцитивной силы (меньше 4000 А/м). Они легко намагничиваются и размагничиваются, отличаются малыми потерями на гистерезис.

Чем чище МММ, тем лучше его магнитные характеристики.

 МТМ обладают большой коэрцитивной силой (больше 4000А/м) и остаточной индукцией (больше 0.1 Тл). Они с большим трудом намагничиваются, но зато могут долго сохранять магнитную энергию, т.е. служить источниками постоянного магнитного поля.

По составу все магнитные материалы делятся на

1) металлические;

2)     неметаллические;

3)     магнитодиэлектрики.

Металлические магнитные материалы - это чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов.

Неметаллические магнитные материалы – ферриты, получаемые из порошкообразной смеси окислов железа и окислов других металлов. Опрессованные ферритовые изделия подвергаются отжигу, в результате чего они превращаются в твердые монолитные детали.

Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из 60-80% порошкообразного магнитного материала и 40-20% диэлектрика.

Ферриты и магнитодиэлектрики отличаются от металлических магнитных материалов большими ρ (102-108 Ом·м), от чего потери на вихревые токи малы. Это позволяет использовать их в высокочастотной технике. Кроме того, ферриты обладают большой стабильностью магнитных параметров в широком диапазоне частот (включая СВЧ).

Основными магнитно-мягкими материалами, применяемыми в радиоэлектронной аппаратуре, являются карбонильное железо, пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые стали.

  

Список литературы 

1. Демаков Ю.П., Радиоматериалы и радиокомпоненты,  ч.1. - Радиотехнические материалы - Б.М., 1997.

2. Демаков Ю.П., Радиоматериалы и радиокомпоненты, ч.2. - Компоненты электронных схем. Характеристики. Применение, расчет - Б.М., 1997.

3. Тихомиров Н.Н. Радиоматериалы и радиокомпоненты. Учебное пособие - М.,  1999.

4.  Голев И.М. Радиоматериалы. Учебное пособие - Воронеж,  1994.

5. Хандогин М.С. Учебное пособие по курсу "Радиоматериалы, радиокомпоненты и основы микроэлектроники" - Минск: МРТИ, 1991.

6.  Свитенко В.Н. Элементы и компоненты РЭУ. Радиоматериалы.: Учебное пособие для специальности "Радиотехника" – Киев, 1990.

7.  Конструкционные и электротехнические материалы под редакцией В.А.Филипова. - М.: Высшая школа, 1990.

8.  Никулин Н.В., Электроматериаловедение.- М.: Высшая школа, 1989.

9. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники.- М.: Высшая школа, 1986.

10. Богородицкий Ш.П. и др. Электротехнические материалы.- Ленинград: Энергоатомиздат, 1985.

11. Калинин Н.Н. и др. Электроматериалы.- М.: Высшая школа, 1981.

12. Угай Я.А. Введение в химию проводников.- М.: Высшая школа, 1975.

13. Казрновский Д.И., Мианов С.А. Радиотехнические материалы. -М.: Высшая школа, 1972.

14. Электроматериалы. Под редакцией Тареева Б.М. Учебное пособие для студентов - М.: Высшая школа, 1978.

 

Содержание 

Введение                                                                                                                    3

Лекция .  Отличительные свойства металлов, полупроводников и диэлектриков              4

Лекция. Диэлектрики                                                                                          12

Лекция. Проводники                                                                                           17

Лекция. Полупроводники                                                                                   25

Лекция. Магнитные материалы                                                                         41

Список литературы                                                                                                 48

 

Св.план 2011 г., поз