.RU

Материалы с большим удельным сопротивлением - 1 Характеристика кристаллических решеток


Материалы с большим удельным сопротивлением К таким материалам относятся сплавы, имеющие при нормаль­ных условиях удельное электрическое сопротивление не менее 0,3 мкОм·м. Эти материалы достаточно широко применяются при изготовлении различных электроизмерительных и электронагре­вательных приборов, образцовых сопротивлений, реостатов и т.д.
Для изготовления электроизмерительных приборов, образцовых сопротивлений и реостатов применяются, как правило, сплавы, отличающиеся высокой стабильностью удельного сопротивления во времени и малым температурным коэффициентом сопротивле­ния. К числу таких материалов относятся манганин, константан и нихром.

Манганин - это медно-никелевый сплав, содержащий в среднем 2,5... 3,5% никеля (с кобальтом), 11,5... 13,5% марганца, 85,0... 89,0% меди. Легирование марганцем, а также проведение специальной термообработки при температуре 400 °С позволяет стабилизировать удельное сопротивление манга­нина в интервале температур от -100 до +100°С. Манганин имеет очень малое значение термоЭДС в паре с медью, высокую стабиль­ность удельного сопротивления во времени, что позволяет широ­ко использовать его при изготовлении резисторов и электроизме­рительных приборов самых высоких классов точности.

Константан содержит те же компоненты, что и манганин, но в иных соотношениях: никель (с кобальтом) 39... 41%, марганец 1 ...2%, медь 56,1 ...59,1%. Его удельное электрическое сопротивление не зависит от температуры.

Нихромы - сплавы на основе железа, содержащие в зависимос­ти от марки 15...25% хрома, 55...78% никеля, 1,5%марганца. Они в основном применяются для изготовления электронагревательных элементов, так как обладают хорошей стойкостью при высокой температуре в воздушной среде, что обусловлено близкими значе­ниями температурных коэффициентов линейного расширения этих сплавов и их оксидных пленок.

Среди сплавов с высоким сопротивлением, которые (кроме них­рома) широко используются для изготовления различных нагрева­тельных элементов, необходимо отметить жаростойкие сплавы фехрали и хромали. Они относятся к системе Fe-Cr-Al и содер­жат в своем составе 0,7% марганца, 0,6% никеля, 12... 15% хрома, 3,5...5,5% алюминия и остальное - железо. Эти сплавы отличают­ся высокой стойкостью к химическому разрушению поверхности под воздействием различных газообразных сред при высоких тем­пературах.

^ Свойства сверхпроводников и криопроводников.

Согласно современной теории, явление сверхпроводимости ме­таллов можно объяснить следующим образом. При температурах, близких к абсолютному нулю, меняется характер взаимодействия электронов между собой и атомной решеткой, так что становится возможным притягивание одноименно заряженных электронов и образование так называемых электронных (куперовских) пар. По­скольку куперовские пары в состоянии сверхпроводимости обла­дают большой энергией связи, обмена энергетическими импульса­ми между ними и решеткой нет. При этом сопротивление металла становится равным нулю. С увеличением температуры некоторая часть электронов термически возбуждается и переходит в одиноч­ное состояние, характерное для обычных металлов. При достиже­нии критической температуры Ткр все куперовские пары распада­ются и состояние сверхпроводимости исчезает.

Аналогичный результат наблюдается при определенном значе­нии магнитного поля (критической напряженности Нкр или крити­ческой индукции Вкр), которое может быть создано собственным током и посторонними источниками. Критическая температура и критическая напряженность магнитного поля являются взаимосвя­занными величинами (для чистых металлов):



где Нкр - критическая напряженность магнитного поля при абсо­лютном нуле; Т0 - критическая температура при отсутствии маг­нитного поля.

Следовательно, если идеальный сверхпроводник поместить в магнитное поле, то некоторой температуре Ткр1 < Т0 будет соответ­ствовать определенное значение критической напряженности маг­нитного поля Нкр1. При Н > Нкр1 и температуре Ткр1 , сверхпроводя-щее состояние исчезает.

Известно 35 сверхпроводниковых металлов и более 1000 сверх­проводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. Установлены также сверхпроводящие свойства у некото­рых полупроводников, например антимонида индия InSb, серы, ксенона и пр. Для многих проводниковых материалов, таких как серебро, медь, золото, платина, даже при очень низких температу­рах достичь сверхпроводящего состояния пока не удалось.

По физико-химическим свойствам элементарные сверхпровод­ники (чистые металлы) можно разделить на мягкие (Hg, Sn, Pb, In) и жесткие (Та, Ti, Zr, Nb). Для мягких сверхпроводников характерны низкие температуры плавления и отсутствие внутренних механических напряжений, жесткие сверхпроводники отличаются наличием значительных внутренних напряжений. С позиций термодинамики сверхпроводниковые материалы при­нято делить на сверхпроводники I, II и III родов.

Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразное из­менение удельной теплоемкости и определенная температура пе­рехода в сверхпроводящее состояние, которое может разрушиться уже при малых критических температурах и напряженности маг­нитного поля примерно 1 кА/м, что затрудняет их использование. У таких материалов наблюдается эффект Майснера-Оксенфельда, заключающийся в том, что при переходе образца в сверхпрово­дящее состояние магнитное поле выталкивается из него, т.е. он ста­новится идеальным диамагнетиком.

Сверхпроводники II рода отличаются тем, что переход в сверхпроводящее состояние у них осуществляется не скачком, а посте­пенно. Для них характерны два критических значения магнитной индукции при температуре Ткр < Т0. Если магнитная индукция во внешнем поле начинает превышать значение нижней критичес­кой индукции, то происходит частичное проникновение магнит­ного поля во всю толщину сверхпроводящего образца. При этом под действием силы Лоренца электроны в сверхпроводнике на­чинают двигаться по окружностям, образуя так называемые вих­ри. Внутри вихря скорость вращения возрастает по мере приближе­ния к оси до тех пор, пока не достигнет критического значения и не произойдет «срыв» сверхпроводимости. По мере увеличения внешнего магнитного поля количество вихрей возрастает, а рас­стояние между ними сокращается. Когда оно становится соизме­римым с размером куперовской пары, весь объем переходит в нормальное состояние и магнитное поле полностью проникнет в образец. К сверхпроводникам II рода из чистых металлов можно отнес­ти ниобий Nb, ванадий V и технеций Те.

Сверхпроводники III рода включают в себя неидеальные сверх­проводники II рода (жесткие сверхпроводники). Для них характер­но наличие крупных неоднородностей, возникающих при выделе­нии другой фазы или пластичном деформировании. Дефекты струк­туры могут служить узлами закрепления вихрей (явление пининга), что значительно повышает допустимые токи. К сверхпроводникам III рода относятся в основном сплавы и химические соединения.

^ Высокотемпературные сверхпроводники. В 1986 г. было обнару­жено, что такие вещества, как La2-хMхCuO4, (M = Ва, Sr), переходят в сверхпроводящее состояние при температуре, близкой к темпе­ратуре жидкого азота. Позже в сплавах YВa2Cu3O7 переход в сверх­проводящее состояние происходил при температуре -173°С и выше. Такие вещества, названные высокотемпературными сверхпроводни­ками, обладают структурой типа перовскита (природный минерал CaTiO3) и представляют собой керамику с характерным располо­жением атомов. Получают такие материалы в процессе спекания тонкоизмельченной смеси оксидов иттрия, меди с карбонатом бора. Полученный таким способом образец сверхпроводящей керамики состоит из двух фаз (соединений). Одна фаза содержит ионы иттрия, бария и меди в соотношении 2:1:1. Другая фаза содер­жит большее количество меди. Соотношение иттрия, бария и меди в ней 1:2:3. Именно эта фаза и обладает сверхпроводящими свой­ствами.

Сверхпроводящие свойства системы Y-Ba-Cu-0 зависят от со­отношения двухвалентной и трехвалентной меди Сu2+ /Сu3+, изме­няя это соотношение можно регулировать сверхпроводящие свой­ства. Получены сверхпроводники, имеющие температуру перехо­да до -163 °С и плотность тока в сверхпроводящем состоянии до 104 А/см2, что меньше, чем для металлических «тра­диционных» сверхпроводников.

Разрабатываются новые материалы, обладающие большей плот­ностью тока и более высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние. Перспективными в этом отношении являются так называемые висмутовые системы с химической формулой Bi2Sr2Ca2Cu3Oх, температура перехода которых достигает -158°С.

Сверхпроводниковые материалы исполь­зуют для создания сверхсильных магнитных полей в достаточно большой области пространства; для изготовления обмоток элек­трических машин и трансформаторов, обладающих малой мас­сой и размерами, но очень высоким КПД, сверхпроводящих ка­белей для мощных линий передачи энергии, волноводов с очень малым затуханием, мощных накопителей электрической энергии, устройств памяти и управления. Эффект Майснера-Оксенфельда, наблюдаемый в сверхпроводниках, используется для создания опор без трения и вращающихся электрических машин с КПД, равным почти 100%. Явление сверхпроводящего подвеса применяется в гироскопах и в поездах сверхскоростной же­лезной дороги и т. д.

Криопроводники. К их числу относятся материалы, которые при сильном охлаждении (ниже -173°С) приобретают высокую элект­рическую проводимость, но не переходят в сверхпроводящее со­стояние. Это объясняется тем, что при низкой температуре удель­ное сопротивление проводника обусловлено, как правило, нали­чием примесей и физическими дефектами решетки. Поскольку составляющая удельного сопротивления, обусловленная рассеива­нием энергии за счет тепловых колебаний решетки, пренебрежимо мала, для криопроводников необходимо применять хорошо ото­жженный металл высокой чистоты, который обладает минималь­ным удельным сопротивлением в рабочем диапазоне температур от -240 до -190 °С.

Минимальным сопротивлением при температуре жидкого азота, самого дешевого хладагента, обладает бериллий, однако он отличается плохой технологичностью, дорог и высокотоксичен. Более доступен и технологичен алюминий в качестве криопроводящего материала (алюминий марки А999, содержащий примесей не более 0,001% при температуре жидкого гелия имеет удельное сопротивление не более 1…2·10-6мкОм·м).

^ 5.3. Полупроводниковые материалы
К полупроводникам относятся материалы с удельным электрическим сопротивлением 10-5 - 108 Ом· м. Простые полупроводники: германий, кремний, се­лен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк, серое оло­во, йод, и некоторые химические соединения. Полупроводники облада­ют рядом характерных только для них свойств, резко отличающихся от проводников: в большом интервале температур их удельное сопротивление уменьшается, т.е. они имеют отрицательный температурный коэф­фициент удельного сопротивления; при введении в полупроводник малого количества примесей их удельное сопротивление резко изменяется; полупроводники чувствительны к различного рода внешним воз­действиям - свету, ядерному излучению, электрическому и магнит­ному полям, давлению и т.д.

Полупроводниками являются соединения различных элементов, соответствующие общим фор­мулам:

^ Собственные и примесные полу­проводники. Как и в металлах, электрический ток в полупровод­никах связан с дрейфом носителей заряда. Но если в металлах нали­чие свободных электронов обус­ловлено природой металлической связи, то появление носителей за­ряда в полупроводниках определя­ется рядом факторов, важнейшими из которых являются чистота ма­териала и температура. В зависи­мости от степени чистоты полу­проводники подразделяют на соб­ственные и примесные.

Полупроводник, в котором в результате разрыва связей образу­ется равное количество свободных электронов и дырок, называется собственным.

Каждый атом на своей внешней оболочке содержит четыре элект­рона. Каждый из этих электронов создает пару с электроном соседнего атома, образуя ковалентную связь. С повышением температуры некоторые электроны разрывают ковалентную связь и переходят в зону проводимости (рис.27, а).



Рис.27

В кристалле собственного полу­проводника каждому электрону в зоне проводимости соответству­ет одна дырка, оставленная им в валентной зоне. В этом случае свободный электрон обладает большей энергией, на значение энергии ши­рины запрещенной зоны. Так как при каждом акте возбуждения в собственном полупро­воднике одновременно создаются два носителя заряда противоположных знаков, то общее количество носителей заряда в 2 раза боль­ше числа электронов в зоне проводимости. При приложении к кристаллу внешнего электрического поля сво­бодные электроны перемещаются против поля (из-за отрицатель­ного заряда), а дырки - в направлении поля. Но электроны, хотя и движутся в противоположном на­правлении, создают обычный ток, совпадающий с внешним прило­женным полем. Следовательно, электронный и дырочный токи те­кут в одном и том же направлении и поэтому складываются.

Для большинства полупровод­никовых приборов используются примесные полупроводники. Полу­проводник, имеющий примеси, назы­вается примесным, а проводимость, созданная введенной примесью, на­зывается примесной проводимостью.

Если в полупроводник IV груп­пы таблицы Менделеева ввести в качестве примеси мышьяк, то ато­му примеси для завершения ковалентных связей с атомами основно­го вещества необходимо четыре ва­лентных электрона. Пятый электрон атома примеси в ковалентной связи не участвует. Со своим атомом он связан силой ку-лоновского взаимодействия. Энер­гия этой связи невелика (сотые доли электрон-вольта). Так как при ком­натной температуре тепловая энер­гия kT= 0,026 эВ, то очевидно, что при этой температуре происходит ионизация примесных атомов мы­шьяка вследствие отрыва пятого ва­лентного электрона, который ста­новится свободным.

Наряду с ионизацией примеси может происходить и ионизация атомов основного вещества. Но в области температур ниже той, при которой имеет место значительная собственная проводимость, число электронов, оторванных от примеси, значительно больше числа электронов и дырок, образовавшихся в результате разрыва ковалентных связей. Следовательно, преобладающее значение в проводимости кристалла имеют электроны, и поэтому они назы­ваются основными носителями заряда, а дырки - неосновными. Такой полупроводник называется электронным, или п-типа, а при­месь, отдающая электроны, носит название донорной.

На энергетической диаграмме наличие примеси в решетке по­лупроводника характеризуется появлением локального энергети­ческого уровня, лежащего в запрещенной зоне. Так как при ионизации атома мышьяка образуется свободный электрон и для его отрыва требуется значительно меньшая энергия, чем для разрыва ковалентных связей кремния, то энергетический уро­вень донорной примеси должен располагаться в запрещенной зоне на небольшой глубине под «дном» зоны проводимости (рис. 27, б).

Если в полупроводник IV группы таблицы Менделеева ввести элемент III группы, например алюминий, то все три валентных элек­трона примесного атома будут участвовать в образовании кова­лентных связей, одна из четырех связей с ближайшими атомами основного вещества окажется незавершенной. В неза­полненную связь около атома алюминия благодаря тепловой энер­гии может перейти электрон от соседнего атома основного веще­ства. При этом образуются отрицательный ион алюминия и сво­бодная дырка, перемещающаяся по связям основного вещества и, следовательно; принимающая участие в проводимости кристалла.

Примесь, захватывающая электроны, называется акцепторной. Для образования свободной дырки за счет перехода электрона от атома основного вещества к атому примеси требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва ковалентных связей кремния. Поэтому количество дырок может быть значительно больше коли­чества свободных электронов и проводимость кристалла будет дырочной. В таком полупроводнике основными носителями заря­да являются дырки, а неосновными - электроны. Полупроводник с акцепторными примесями называется дыроч­ным полупроводником или р-типа.

На энергетической диаграмме, представленной на рис.27,в, ак­цепторная примесь имеет энергетический уровень Wa, расположен­ный на небольшом расстоянии над потолком валентной зоны. При ионизации акцепторной примеси происходит переход электрона из валентной зоны на уровень Wa, а в валентной зоне появляется дыр­ка, которая и является свободным носителем заряда.

В полупроводниках могут одновременно содержаться донорная и акцепторная примеси. Такие полупроводники называются ком­пенсированными.

^ Электропроводность полупроводников. В собственном полупроводнике носителями заряда являются свободные электроны и дырки, концентрации которых одинако­вы. При наличии внешнего электрического поля плотность элект­ронной составляющей тока, который протекает через собственный полупроводник, т. е. число электрических зарядов переносимых за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной на­правлению электрического поля,

Jn = q·n·vn

где q = 1,6-10-19 - заряд электрона, Кл; п - концентрация электро­нов зоны проводимости, м-3; vn - средняя скорость упорядоченно­го движения электронов, возникшая под действием электрическо­го поля (дрейфовая скорость), м/с.

Обычно скорость vn пропорциональна напряженности поля:

Vn = μn·E

где μn - коэффициент пропорциональности, называемый подвиж­ностью, м2/(В·с).

Закон Ома в дифференциальной форме:

Jn = E·σn = E/ρn ,

где σn = q·n·μn - удельная электрическая проводимость полупровод­ника, обусловленная электронами, См/м; ρ = 1/σ - удельное элект­рическое сопротивление, Ом·м.

Аналогично, дырочная составляющая плотности тока для соб­ственного полупроводника: Jp = E· q·p·μp,

где р - концентрация дырок валентной зоны, м-3; μp - подвижность дырок, м2/(В·с).

Удельная электрическая проводимость полупроводника, обус­ловленная дырками,

σp= q·p·μp.

Суммарная плотность тока через собственный полупроводник

j = jn + jp = (q·n·μn + q·p·μp)E.

Удельная электрическая проводимость собственного полупро­водника

σi = σn + σp = q·n·μn + q·p·μp = q·ni(μn + μp).

В примесном полупроводнике при комнатной температуре при­месь полностью ионизирована и, следовательно, проводимость оп­ределяется свободными подвижными носителями заряда, электро­нами и дырками в n- и p-полупроводниках соответственно:

σn = q·nn·μn , σp = q·pp·μp,

где пn и рp - концентрация основных носителей заряда электронов и дырок соответственно.

Так как концентрация и подвижность свободных носителей за­ряда зависят от температуры, то и удельная проводимость также зависит от температуры. При этом для концентрации свободных носителей заряда характерна экспоненциальная зависимость, а для подвижности - степенная. Для собственного полупроводника, у ко­торого ΔW » kT, и с учетом того, что степенная зависимость сла­бее экспоненциальной, можно записать



где ΔW - ширина запрещенной зоны; k - постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура; σ0 - множитель, не зависящий от тем­пературы; он должен выражать σ при Т = , т.е. когда все валент­ные электроны перешли в зону проводимости.

График зависимости σ(T) удобно построить, прологарифми­ровав это выражение:

ln σ = ln σ0 – ΔW / kT.

Для примесного полупроводника электропроводность:

,

где ΔWa - энергия ионизации примесей.

На рис.28 представлена температурная зависимость полупроводника с различной концентрацией примеси.



Рис. 28

Повышение удельной проводимости полупроводника с увеличением Т в области низких темпера­тур обусловлено увеличением концентра­ции свободных носителей заряда за счет ионизации примеси (рис. 28, участки ab, de,kl).

Наклон примесного участка кривой за­висит от концентрации примесей. С рос­том концентрации атомов примеси в по­лупроводнике уменьшается наклон кривой к оси абсцисс, и она располагается выше. Это объясняется тем, что наклон прямой в области примесной проводимости опре­деляется энергией ионизации примеси. С увеличением концентрации примеси энер­гия ионизации уменьшается и соответ­ственно уменьшается наклон прямых.

При дальнейшем повышении температуры наступает истощение примеси - полная ее ионизация. Собственная же электропроводность заметно еще не проявляется. В этих условиях концентрация свобод­ных носителей от температуры не зависит, и температурная зависи­мость удельной проводимости полупроводника определяется зави­симостью подвижности носителей заряда от температуры. Резкое уве­личение удельной проводимости при дальнейшем росте температуры соответствует области собствен­ной электропроводности.

В сильных электрических по­лях нарушается линейность за­кона Ома j = σ·Е. Минимальную напряженность электрического поля, начиная с которой не вы­полняется линейная зависимость тока от напряжения, называют критической. Эта граница не является резкой и определенной и зависит от природы полупровод­ника, концентрации примесей, температуры окружающей среды. Так как удельная проводимость определяется концентрацией свободных носителей заряда и их подвижностью, то линейность закона Ома нарушается в том случае, когда по крайней мере одно из этих значений зависит от напряженности электрического поля.

Если изменение абсолютного значения скорости свободного но­сителя заряда под действием внешнего поля на среднем пути меж­ду соударениями сравнимо с тепловой скоростью, то подвижность носителей заряда зависит от электрического поля, причем она мо­жет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от температу­ры окружающей среды. Воздействие сильного электрического поля приводит к значительному росту концентрации свободных носи­телей заряда.

Под воздействием внешнего электрического поля напряженно­стью Е на полупроводник его энергетические зоны становятся на­клонными. На рис.29 представлены электрические зоны полупроводника в сильном электрическом поле.



Рис.29

В сильном электричес­ком поле при наклоне зон возможен переход электрона из валент­ной зоны и примесных уровней в зону проводимости без измене­ния энергии в процессе туннельного «просачивания» электронов через запрещенную зону. Этот механизм увеличения концентрации свободных носителей под действием сильного электрического поля называют электростатической ионизацией, которая возможна в электрических полях с напряженностью примерно 108 В/м.

На рис.30 представлена зависимость проводимости полупроводника от напряженности внешнего электрического поля.



Рис.30

На рис.30 участок 1 соответствует выполнению линейности закона Ома, 2 - тер­моэлектронной ионизации, 3 -электростатической и ударной ионизации, 4 - пробою.

Проводимость твердого кри­сталлического тела изменяется от деформации из-за увеличе­ния или уменьшения (растяжение, сжатие) междуатомных расстояний приводит к изме­нению концентрации и под­вижности носителей заряда. Концентрация меняется вследствие изменения шири­ны энергетических зон полу­проводника и смещения при­месных уровней, что приво­дит к изменению энергии активации носителей заряда и, следовательно, к уменьше­нию или увеличению концен­трации. Подвижность меня­ется из-за увеличения или уменьшения амплитуды ко­лебания атомов при их сбли­жении или удалении.

Изменение удельной проводимости полупроводников при оп­ределенном виде деформации характеризует тензочувствителъность: ,

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

^ Фотопроводимость полупроводников. Перевод электрона в свободное состояние или образование дыр­ки может осуществляться также под воздействием света. Энергия падающего на полупроводник света передается электронам. При этом энергия, передаваемая каждому электрону, зависит от часто­ты световых колебаний и не зависит от яркости света (силы света). С увеличением яркости света возрастает число поглощающих свет электронов, но не энергия, получаемая каждым из них.

Для определенного полупроводника существует пороговая дли­на волны, определяемая энергией кванта, достаточной для возбуж­дения и перехода электрона с самого верхнего уровня валентной зоны на самый нижний уровень зоны проводимости, т.е. равная ширине запрещенной зоны. Фотопроводимость полупроводника определяется: σф = q·Δn·μn

где Δn - дополнительное число электронов, образовавшихся в по­лупроводнике вследствие облучения его светом.

Освобожденные светом электроны находятся в зоне проводи­мости очень короткое время (10-3 – 10-7 с). При отсутствии внешне­го электрического поля они хаотически перемещаются в между­атомных промежутках. Когда к кристаллу приложена разность по­тенциалов, они участвуют в электропроводности. После окончания освещения образца электроны переходят на более низкие энерге­тические уровни - примесные или в валентную зону. При непре­рывном освещении полупроводника устанавливается динамичес­кое равновесие между образующимися дополнительными (нерав­новесными) носителями и уходящими на нижние уровни, т.е. устанавливается динамическое равновесие между процессами ге­нерации носителей заряда и их рекомбинацией.
^ Термоэлектрические явления в полупроводниках. К важнейшим термоэлектрическим явлениям в полупроводни­ках относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томпсона.
Сущность явления Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных полупроводников или полупроводника и металла, возникает ЭДС, если между концами этих материалов существует разность температур. Свободные носители заряда у горячего конца имеют более высокие энергии и количество их больше, чем у холодного. Поэтому больше поток носителей от горячего конца к холодному. В результате на концах полупроводника накапливается заряд. По знаку термоЭДС можно судить о типе электропроводности полупроводника.

Эффект, обратный явлению Зеебека, называется эффектом Пельтье. Он состоит в том, что при прохождении тока через контакт двух разнородных полупроводников или полупроводника и металла происходит поглощение или выделение теплоты в зависимости от направления тока.

Эффект томпсона заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении тока в однородном материале, в котором существует градиент температур. Наличие градиента температур в полупроводнике приводит к образованию термоЭДС.

^ Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках возникают при воздействии электрического и магнитного полей. Один из них эффект Холла заключается в следующем. Если полупроводник, вдоль которого течет электрический ток, поместить в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, то в полупроводнике возникнет поперечное электрическое поле, перпендикулярное току и магнитному полю.

На рис.31 изображена пластинка полупроводника п-типа. Электрическое поле Е направлено параллельно оси Z, а магнитное поле Н – вдоль оси Y. На движущийся ав магнитном поле электрон действует сила Лоренца, которая отклоняет его в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля. В результате электроны накапливаются у одного из торцов образца. На противоположной грани создается положительный нескомпенсированный заряд, обусловленный ионами донорной примеси. Такое накопление зарядов происходит до тех пор, пока действие возникшего электрического поля не уравновесит действующую на электрон силу Лоренца.



Рис.31

^ Электронно-дырочный переход является основным элементом структуры большинства типов полупроводниковых приборов. Он представляет собой переходной слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различнымти типами проводимости или разными значениями удельной электропроводности, причем одна из областей может быть металлом.

Германий - один из наиболее тщательно изученных полупроводников, и многие явления, характерные для полупровод­ников, впервые экспериментально были обнаружены на этом ма­териале.

Слитки предварительно очищенного германия используют в качестве исходного материала для получения особо чистого германия методом зонной плавки или же непосредственного получения монокристаллов методом вытягива­ния из расплава.

Сущность метода зонной плавки заключается в том, что узкая расплавленная зона перемещается вдоль горизонтально расположен­ного образца, находящегося в графитовой или кварцевой «лодоч­ке». Примеси, имеющиеся в образце, оттесняются к концу слитка. Для высококачественной очистки весь процесс повторяют много раз или используют установки более совершенной конструкции, позво­ляющие создавать вдоль слитка одновременно четыре или пять рас­плавленных зон.

Для получения монокристалла по методу вытягивания из расплава тщательно очищенный от примесей германий расплавляют в установке. Схема установки для выращивания монокристаллов методом Чохральского представлена на рис.32



Рис. 32

Рабочим объемом служит герметическая водоохлаждаемая камера, внутри которой создается вакуум давлением 10-4Па или защитная газовая среда (водоро или аргон). Материал 2 помещается в тигель 3, насаженный на конец водоохлаждаемого штока 4. Шток 4 при помощи электропривода приводится во вращение с постоянной скоростью. Его можно опускать или поднимать для подбора оптимального положения тигля с расплавом по отношению к нагревательному элементу 5. На нижнем конце штока 1 крепится монокристаллическая затравка. Затравка вводится в расплав и выдерживается в нем, пока не про­изойдет оплавление поверхности. После этого затравку, вращая, начинают медленно поднимать. За затравкой тянется жидкий стол­бик расплава, удерживаемый поверхностным натяжением. Попа­дая в область низких температур над поверхностью тигля, расплав затвердевает, образуя одно целое с затравкой. Этим способом по­лучают монокристаллы германия диаметром до 100 мм.

На электрические свойства гер­мания оказывает сильное влияние термообработка. Если образец п-типа нагреть до температуры выше 550 °С, а затем резко охладить (за­калить), то изменяется тип элект­ропроводности. Аналогичная тер­мообработка германия р-типа при­водит к снижению удельного сопротивления, без изменения типа электропроводности. Отжиг закаленных образцов при температуре 500...550°С восстанавливает не только тип электропроводности, но и первоначальное удельное сопротивление.

Германий применяется для изготовления диодов различных ти­пов, транзисторов, датчиков ЭДС Холла, тензодатчиков. Оптичес­кие свойства германия позволяют его использовать для изготовле­ния фотодиодов и фототранзисторов, модуляторов света, оптичес­ких фильтров, а также счетчиков ядерных частиц. Рабочий диапазон температур германиевых приборов от -60 до +70 °С.

Кремний является од­ним из самых распространенных элементов в земной коре; его со­держание в ней примерно 29%. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается, а имеется только в соединениях в виде оксида и в солях кремниевых кислот. Чистота природного оксида кремния в виде монокристаллов кварца иногда достигает 99,9%.

Технический кремний содержит при­мерно 1% примесей, и как полупроводник использован быть не может. Он является исходным сырьем для производства кремния полупроводниковой чистоты, содержание примесей в котором дол­жно быть менее 10-6%.

Технология получения кремния полупроводниковой чистоты включает в себя следующие операции: превращение технического кремния в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено; очистка соединения физическими и хи­мическими методами; восстановление соединения с выделением чистого кремния; конечная очистка кремния методом бестигель­ной зонной плавки; выращивание монокристаллов.

Объемные кристаллы крем­ния получают методами выращивания из расплава и бестигельной вертикальной зонной плавки, схема которой представлена на рис.33.

В этом методе узкая расплавленная зона 2 удерживается между твердыми частями слитка (1 - монокристаллическая, 4 – поликристаллическая часть) благодаря силам поверхностного натяжения. Расплавление слитка осуществляется с помощью высокочастотного индуктора 3; процесс происходит в вакууме или в атмосфере защитной среды.



Рис.33

Кри­сталлы кремния п- и р-типов по­лучают введением при выращи­вании соответствующих приме­сей, среди которых наиболее часто используются фосфор и бор.

Проводимость крем­ния, как и германия, очень силь­но изменяется из-за присутствия примесей. На рис.34 приведе­ны зависимости удельного со­противления кремния и германия от концентрации примесей.



Рис.34

Кремний является базовым материалом полупроводниковой электроники. Он используется как для создания интегральных мик­росхем, так и для изготовления дискретных полупроводниковых приборов. Полупроводниковые интегральные микросхемы, отли­чающиеся малыми размерами и сложной конфигурацией активных областей, особенно широко применяются в вычислительной тех­нике и радиоэлектронике. Из кремния изготовляются различные типы полупроводниковых диодов: низкочастотные (высокочастот­ные), маломощные (мощные), полевые транзисторы; стабилитро­ны; тиристоры. Широкое применение в технике нашли кремние­вые фотопреобразовательные приборы: фотодиоды, фототранзис­торы, фотоэлементы солнечных батарей. Подобно германию, кремний используется для изготовления датчиков Холла, тензодатчиков, детекторов ядерных излучений.

Благодаря тому, что ширина запрещенной зоны кремния боль­ше, чем ширина запрещенной зоны германия, кремниевые прибо­ры могут работать при более высоких температурах, чем германи­евые. Верхний температурный предел работы кремниевых прибо­ров достигает 180... 200 °С.

Селен. Этот элемент VI группы таблицы Менделеева обладает рядом полезных электрических свойств. Он существует в несколь­ких аллотропных модификациях - стеклообразной, аморфной, мо­ноклинной, г»ксагональной. Для очистки селена используют методы вакуумной ректификации и очистку с помощью ионнообменных смол. В результате содержание примесей уменьшается до 10-4%.

Для изготовления полупроводниковых приборов (выпрямите­лей переменного тока и фотоэлементов) используется серый крис­таллический гексагональный селен. Ширина его запрещенной зоны 1,79 эВ. Такой, селен обладает дырочным типом электропроводно­сти. Его удельное сопротивление примерно 103 Ом·м (при комнат­ной температуре). Селен в отличие от других полупроводников обладает аномаль­ной температурной зависимостью концентрации свободных носи­телей заряда: она уменьшается с ростом температуры, подвижность носителей заряда при этом возрастает. Электрические свойства се­лена измерялись многими исследователями, однако данные весьма противоречивы.

^ Карбид кремния. Он является единственным бинарным соеди­нением, образованным полупроводниковыми элементами IV груп­пы таблицы Менделеева. Это полупроводниковый материал с боль­шой шириной запрещенной зоны (2,8...3,1 эВ) (в зависимости от модификаций). Карбид кремния применяют для изготовления по­лупроводниковых приборов, работающих при высоких темпера­турах (до 700 °С).

Кристаллы карбида кремния полупроводнико­вой чистоты получают методом возгонки в печах с графитовыми нагревателями и экранами. Процесс кристаллизации проводят в атмосфере аргона при температуре 2400... 2600 °С. Получаемые кри­сталлы обычно имеют пластинчатую форму с размером в попереч­нике примерно 1 см. Карбид кремния является одним из наиболее твердых веществ, он устойчив к окислению до температур свыше 1400 °С.

Электропроводность кристаллов SiC при нормальной темпера­туре примесная. Тип электропроводности и окраска кристаллов карбида кремния зависят от инородных примесей или определя­ются избытком атомов Si или С по сравнению со стехиометрическим составом. Избыток Si приводит к электронной электропроводности SiC, а избыток С - к дырочной.

Карбид кремния применяется для серийного выпуска варисторов (нелинейных резисторов), светодиодов, а также высокотемпе­ратурных диодов, транзисторов, тензорезисторов, счетчиков час­тиц высокой энергии, способных работать в химически агрессив­ных средах.

^ Полупроводниковые соединения А/// ВV/ являются ближайшими аналогами кремния и германия. Практическое значение имеют нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Получа­ют эти соединения или из расплава, который содержит элементы в равных атомных концентрациях, или из раствора соединения, име­ющего в избытке элементы III группы, а также из газовой фазы. Кристаллы антимонидов, арсенидов галлия и индия обычно выра­щивают из расплава вытягиванием на затравку из-под инертного флюса. Моно­кристаллы, полученные из расплава, обладают недостаточно вы­сокой химической чистотой. Для очистки используются те же ме­тоды, что и для очистки германия и кремния.

^ Арсенид галлия среди соединений занимает особое положение. Большая ширина запрещенной зоны (1,4 эВ), высокая подвижность электронов (0,85 м2/В·с) позволяют создавать на его основе приборы, работающие при высоких температурах и высо­ких частотах.

Первым полупроводником являлся GaAs, на котором в 1962 г. был создан инжекционный лазер. Он используется для изготовле­ния светодиодов, туннельных диодов, диодов Ганна, транзисторов, солнечных батарей и других приборов. Для изготовления детекто­ров в инфракрасной области спектра, датчиков Холла, термоэлек­трических генераторов, тензометров применяется антимонид ин­дия InSb, имеющий очень малую ширину запрещенной зоны (0,17 эВ) и очень высокую подвижность электронов (7,7 м2/В·с).

Широкое применение в серийном производстве светодиодов нашел фосфид галлия GaP, имеющий большую ширину запрещенной зоны (2,25 эВ). В отличие от других соединений группы чрез­вычайно высокой чувствительностью к механическим напряжени­ям обладает антимонид галлия GaSb. Удельное сопротивление GaSb увеличивается в 2 раза при воздействии давления 4·108 Па. При таком же давлении, приложенном к кристаллам GaAs и IпР, их удельное сопротивление меняется лишь на 3 %. Благодаря высо­кой чувствительности к деформациям антимонид галлия исполь­зуют при изготовлении тензометров.

К полупроводниковым соединениям A//BV/ относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды, селениды и теллуриды.

Технология выращивания монокристаллов соединений A//BV/ разработана гораздо менее полно, чем технология полупроводни­ков типа A///BV. Широкозонные полупроводники A//BV/ представ­ляют собой в технологическом отношении трудные объекты, так как обладают высокими температурами плавления и высокими давлениями диссоциации в точке плавления. Выращивание таких материалов в большинстве случаев осуществляется перекристал­лизацией предварительно синтезированного соединения через па­ровую фазу в запаянных кварцевых ампулах.

Применяют соединения A//BV/ в большинстве случаев для созда­ния промышленных люминофоров, фоторезисторов, высокочув­ствительных датчиков Холла и приемников далекого инфракрас­ного излучения.

Среди полупроводниковых соединений типа A//BV/ наиболее изу­ченными являются халькогениды свинца: PbS, PbSe, PbTe, сульфид, селенид и теллурид свинца. Эти соединения являются узкозонными полупроводниками. Халькогениды свинца используют для изготовления фоторезисто­ров в инфракрасной технике, инфракрасных лазеров, тензометров и термогенераторов, работающих в интервале температур от ком­натной до 600 °С.

5.4. Диэлектрики

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, иолекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров роложительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация. Диэлектрики содержат и свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, поэтому ток мал.

Используемые в качестве изоляционных материелов диэлектрики называют пассивными. Существуют активные диэлектрики, параметры которых можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения.

По химическому составу их разделяют на органические, представляющие собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, титана и других элементов; неорганические, не содержащие в своем составе углерода.

Из многообразия свойств диэлектриков, определяющих их техническое применение, основными являются: электропроводность, поляризация и диэлектрические потери, электрическая прочность и электрическое старение.

^ Электропроводность диэлектриков. Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называется сквозным током утечки. В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны и электронные вакансии (дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках 3…7 эВ, энергию, достаточную для перехода в зону проводимости электроны могут приобрести в результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В сильных полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из металлических электродов; возможно образование свободных зарядов (ионов и электронов) в результате ударной ионизации, когда энергия свободных зарядов достаточна для ионизации атомов при соударении.

Для твердых диэлектриков характерной является ионная электропроводность. При нагревании или освещении, действии радиации, сильного электрического поля сначала ионизируются содержащиеся в таких диэлектриках дефекты и примеси. Образовавшиеся таким образом ионы определяют низкотемпературную примесную область электропроводности диэлектрика.

При более интенсивном воздействии на диэлектрик ионизируются основные частицы материала. Удельная проводимость в этом случае изменяется с ростом температуры с большей скоростью, так как число ионов, образовавшихся при ионизации основных частиц, больше, чем при ионизации дефектов и примесей. Энергия активации основных частиц больше, эта область электропроводности называется высокотемпературной собственной.

Поверхностная электропроводность диэлектриков определяется способностью поверхности материала адсорбировать загрязняющие компоненты, в частности, влагу, содержащуюся в окружающей атмосфере.. Хорошо увлажняются полярные диэлектрики, их называют гидрофильными, в отличие от гидрофобных, которые не смачиваются водой. Гидрофобными являются неполярные диэлектрики. Тонкий слой влаги на поверхности снижает поверхностное сопротивление.

^ Диэлектрическая проницаемость и поляризованность. На рис.18 изображены два плоских конденсатора, площадь электродов которых S, а расстояние между ними h. В конденсаторе (рис.35,а) между электродами вакуум, в конденсаторе (рис.35,б) – диэлектрик. Если электрическое напряжение на электродах U , то напряженность электрического поля E = U / h. Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом Q0 (на рис.35,а – квадраты).

В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате образуются электрические диполи с электрическим моментом: m = ql, где q – суммарный положительны (и численно равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл; l – рсстояние между центрами зарядов, плечо диполя, м.



Рис.35

Для компенсации поляризационных зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Qд. Суммарный полный заряд в конденсаторе с диэлектриком: Q = Q0 + Qд = εrQ0,

где εr – относительная диэлектрическая проницаемость.

Электрическая емкость конденсатора с вакуумом между электродами:

С0 = Q0/U.

Емкость этого конденсатора с диэлектриком между электродами:

C = Q/U.

Из этих формул следует, что εr = С/С0 – отношению емкости конденсатора с диэлектриком к емкости того же конденсатора, где между электродами вакуум.

Емкость плосконо конденсатора: С = ε0 εr S/h, где ε0 = 8,85·10-12 Ф/м – электрическая постоянная. Произведение ε0 εr = ε, называется абсолютной диэлектрической проницаемостью.

Поляризованное состояние диэлектрика характеризуется также электрическим моментом единицы объема, поляризованностью Р (Кл/м2), которая связана с диэлектрической пронициемостью Р = ε0(εr –1)Е. Поляризованность является векторной величиной.

^ Поляризация диэлектриков.

Принято различать упругую (быструю, нерелаксационную) и неупругую (медленную, релаксационную) поляризации. Упругая поляризация завершается мгновенно за время t, намного меньшее полупериода приложенного напряжения. Поэтому процесс быстрой поляризации создает в диэлектрике только реактивный ток. К таким быстрым поляризациям относятся электронная (завершающаяся за время 10-16…10-13с) и ионная упругая (завершающаяся за время 10-14…10-13с).

^ Электронная поляризация. В электрическом поле в атомах, ионах или молекулах деформируются электронные оболочки. Смещение электронов происходит на малые расстояния (10-13 м) в пределах своих атомов и молекул. Такая поляризация происходит у всех атомов и молекул независимо от их агрегатного состояния и существования в них других видов поляризации.

Нв рис.36,а схематически изображены деформация в электрическом поле электронной оболочки атома водорода.



Рис.36

Диэлектрики, у которых имеет место только электронная поляризация, называются неполярными диэлектриками. В молекулах неполярных диэлектриков центры положительного и отрицательного зарядов совпадают, поэтому такие молекулы неполярны. Неполярными диэлектриками являются: газы – гелий, водород, азот, метан; жидкости – бензол, четыреххлористый углерод; твердые – алмаз, полиэтилен, фторопласт-4, парафин.

Значение диэлектрической проницаемости газообразных диэлектриков мало отдичается от 1, а для неполярных жидких и твердых диэлектриков не превышает 2,5. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков с ростом температуры уменьшается незначительно и не изменяется с ростом частоты приложенного напряжения до 1012 ... 1013 Гц. На рис.37 представлена зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков.



Рис.37

^ Ионная упругая поляризация происходит в кристаллических диэлектриках, построенных их положительных и отрицательных ионов: в галоидо-щелочных кристаллах, слюде, керамике. В электрическом поле в таких диэлектриках происходит смещение электронных оболочек в каждом ионе – электронная поляризация. Смещаются друг относительно друга подрешетки из положительных и отрицательных ионов, т.е. происходит упругая ионная поляризация (рис.36,б). Это смещение приводит к появлению дополнительного электрического момента, увеличивающего поляризованность, а, следовательно, и диэлектрическую проницаемость. Ионная поляризация не зависит от частоты приложенного напряжения до 1012 – 1013 Гц. Диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов с ростом температуры увеличивается, так как тепловое расширение приводит к ослаблению сил связи между ионами и поэтому к увеличению их смещения в электрическом поле.

^ Неупругие поляризации.

К неупругим относится дипольная поляризация, которая наблюдается в полярных газообразных и жидких диэлектриках. Полярные диэлектрики построены из из полярных молекул, в которых центры положительного и отрицательных зарядов не совпадают. Полярная молекула имеет собственный электрический момент (дипольный момент). Из полярных молекул состоят газообразные аммиак NH3, пары воды и спиртов. Полярными жидкостями являются вода, хлорбензол C6H5Cl, нитробензол C6H5NO2. В электрическом поле в таких молекулах смещаются электронные оболочки атомов – происходит электронная поляризация, также происходит и дипольная поляризация (дипольные моменты молекул ориентируются по полю). В твердых полярных диэлектриках процесс дипольной поляризации состоит в деформации участков – звеньев, сегментов молекул или ориентация отдельных полярных групп молекул.

Для ориентации диполя требуется время, называемое временем релаксации τ, которое прямо пропорционально вязкости диэлектрика и обратно пропорционально температуре. При увеличении температуры вязкость диэлектрика экспоненциально уменьшается, поэтому уменьшается и τ. В этой области температур εr с ростом температуры увеличивается (рис. 38,а, участок б-в). Уменьшение εr на участке в-г вызывается разориентацией полярных молекул в результате теплового движения; на участке а-б - уменьшением плотности.



Рис.38

Если Т/2 <τ, то электрические моменты полярных молекул не успевают ориентироваться в электрическом поле и дипольная поляризация уменьшается. Поэтому εr полярного диэлектрика уменьшается (рис.38,б). В зависимости от строения диэлектрика и внешних условий время релаксации τ дипольной поляризации изменяется в широких пределах (от 10-8 до 10-1 с). При ориентации в электрическом поле диполи преодолевают межмолекулярные силы взаимодействия, поворачиваются с “трением”; в этой области температур дипольная поляризация происходит с потерями.

^ Ионно-релаксационная поляризация. Используемые в технике твердые диэлектрики могут иметь неплотную упаковку объема частицами, дефекты кристаллической решетки – вакансии. Перемещение ионов в электрическом поле становится направленным. В результате возникает различие в расположении центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. появляется электрический момент. Такой процесс называется ионно-релаксационной поляризацией. С ростом температуры увеличивается поляризованность и диэлектрическая проницаемость.

^ Миграционная поляризация. Электроизоляционные материалы могут быть неоднородными с отличающимися значениями удельной электрической проводимости и диэлектрической проницаемости. Образуются дополнительные заряды на границах блоков, зерен. Могут иметь место такие слабо связанные ионы, которые напрвляются к электродам и там локализуются, в результате около электродов образуется объемный заряд, обусловливающий электрический момент. Такую поляризацию называют объемно-зарядовой или высоковольтной поляризацией. Процессы миграционной поляризации завершаются за 10-3…1 с.

^ Спонтанная (самопроизвольная) поляризация. Доменная поляризация. Сегнетоэлектрики. Характерные для сегнетоэлектриков свойства впервые были обнаружены у сегнетовой соли, поэтому сегнетоэлектриками стали называть вещества, свойства которых подобны свойствам сегнетовой соли.

В сегнетоэлектриках даже в отсутствии электрического поля наблюдается самопроизвольное смещение частиц – ионов в ионных кристаллах или полярных радикалов молекул, которое приводит к несовпадению положительного и отрицательного зарядов в объеме диэлектрика, то есть поляризации. Такая поляризация называется спонтанной (самопроизвольной). В диэлектрике образуются области - домены. В каждом домене частицы, обусловливающие самопроизвольную поляризацию, смещены в одном направлении. В этом направлении ориентирован и вектор спонтанной поляризованности Ps домена. В соседних доменах направление Ps может быть противоположным или перпендикулярным (рис.39,а).



Рис.39

В электрическом поле в сегнетоэлектриках происходят упругие электронная и ионная поляризации, а также неупругая доменная. В процессе доменной поляризации векторы Рs доменов ориентируются по направлению электрического поля (рис.39,б). Переориентацией направлений Рs доменов объясняются характерные для сегнетоэлектриков нелинейные свойства: диэлектрический гистерезис и зависимость их диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля (рис.39,в,г). Поляризованность кристалла с ростом напряженности электрического поля увеличивается благодаря ориентации Рs доменов и достигает поляризованности насыщения. С уменьшением напряженности при Е = 0 наблюдается остаточная поляризованность, так как сохраняется ориентация доменов. Уменьшить поляризованность до нуля можно приложив к образцу электрическое поле напряженностью Ес, которое называется коэрцитивной силой.

Для сегнетоэлектриков характерны большая (до нескольких тысяч) диэлектрическая проницаемость и ее резкая зависимость от температуры (рис.39,д). Увеличение температуры приводит к ослаблению сил, препятствующих ориентации доменов. Поляризованность диэлектрика, вызванная доменной поляризацией, увеличивается, а диэлектрическая проницаемость достигает максимального значения при температуре точки Кюри. Спонтанная поляризованность при температуре Кюри исчезает, сегнетоэлектрик теряет свои сегнетоэлектрические свойства и переходит в параэлектрическое состояние, при котором сохраняется нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля.

^ Удельные диэлектрические потери и угол диэлектрических потерь.

Диэлектрическими потерями называют мощность, поглощаемую диэлектриком под действием приложенного напряжения. Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными по­ляризациями. Если в диэлектрике имеют место газовые включения (поры), то в процессе работы его при высоких напряжениях и вы­соких частотах происходит ионизация газа в порах, что вызывает потери на ионизацию.

При включении на постоянное напряжение конденсатора, меж­ду электродами которого находится диэлектрик, через него проте­кает уменьшающийся со временем ток I = Iабс + Ιск (рис. 40, а).



Рис.40

Ток смещения (емкостной ток) Ic вызван смещением электрон­ных оболочек в атомах, ионах и молекулах, т.е. процессом уста­новления быстрых, упругих поляризаций; он спадает в течение 10-16... 10-15 с, поэтому не вызывает рассеяния энергии в диэлектрике.

Спадающий со временем ток абсорбции Iабс обусловлен смеще­нием связанных зарядов в ходе медленных поляризаций и вызыва­ет рассеяние энергии в диэлектрике, диэлектрические потери.

Сквозной ток утечки Iск вызван перемещением свободных заря­дов в диэлектрике в процессе электропроводности, не изменяется со временем (если не происходит электроочистка диэлектрика или его старение, деградация) и вызывает потери, аналогичные джоулевым потерям в проводниках. Следовательно, при постоянном напряжении потери, вызванные током абсорбции, имеют место только в период, когда происходит процесс медленных поляризаций, т.е. при включении конденсатора.

При переменном напряжении Iабс имеет место, если время релак­сации процесса медленных поляризаций меньше или соизмеримо с полупериодом приложенного напряжения (τ = Т/2). В этом случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике под воздействием на него электрического поля, т.е. диэлектрические потери, обусловливае­мые токами Iск и Iабс, наблюдаются в течение всего времени воздей­ствия приложенного напряжения.

На векторной диаграмме токов, протекающих через конденса­тор с диэлектриком при переменном напряжении (рис. 23, б), ем­костной ток Ic опережает напряжение U по фазе на угол 90° и по­этому не создает потерь мощности в диэлектрике. Ток абсорбции Iабс определяется поляризациями, процесс установления которых связан с потерями энергии. Поэтому он имеет реактивную Iра и ак­тивную Iаа составляющие. Сквозной ток Iск совпадает по фазе с приложенным напряжением. Суммарный ток I имеет реактивную Ip = Ic + Ipa и активную Ia = Iаа + Iск составляющие и опережает напря­жение на угол φ < 90°. Угол δ дополняющий до 90° угол фазового сдвига между током и напряжением в емкостной цепи, называют углом диэлектрических потерь. В соответствии с векторной диаг­раммой токов:

tgδ = Ia/Ip,

где tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь, который является важным параметром, характеризующим качество диэлектрика при работе на переменном напряжении.

Для диэлектриков, применяемых в технике высоких частот и высоких напряжений, значение tgδ не должно превышать 10-4…10-3. Мощность диэлектрических потерь: Ра = UIa = ωU2C tgδ. Подставив выражение для емкости плоского конденсатора, и приняв S = 1 м2, h = 1 м, получим формулу для расчета удельных диэлектрических потерь (Вт/м2): Ра уд = 5,567 ·1011 Е2 εr f tgδ, где Е – напряженность электрического поля, В/м; εr tgδ = ε˝ - коэффициент диэлектрических потерь; 5,567·10-11 εr f tgδ = σа – проводимость диэлектрика при переменном токе частотой f, См/м.

^ Диэлектрические потери в твердых диэлектриках. В неполярных твердых диэлектриках диэлектрические потери вызваны электро­проводностью, а в полярных - электропроводностью и дипольной поляризацией. Изменение tgδ от температуры и частоты для твердых неполярных и полярных диэлектриков представлены на рис.41.



Рис.41

В процессе тепловой ионной поляризации твердых диэлектри­ков перемещение слабосвязанных ионов в электрическом поле про­исходит с потерями энергии. В некоторых диэлектриках с неплот­ной упаковкой объема частицами, например стеклах, где имеет ме­сто ионно-релаксационная поляризация, также наблюдаются закономерности изменения tgδ от температуры и частоты, харак­терные для дипольной поляризации.

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках определяются электропроводностью и доменной поляризацией. Изменения tgδ от температуры и частоты в этом случае такие же, как и у твердых полярных диэлектриков.

^ Пробой диэлектриков и электрическая прочность.

Если в ходе повышения приложенного к изоляции напряжения напряженность электрического поля в диэлектрике превышает некоторое крити­ческое значение, то диэлектрик теряет свои электроизолирующие свойства.

Сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возраста­ет до 108 А/м2, а сопротивление диэлектрика уменьшается до тако­го значения, что происходит короткое замыкание электродов. Это явление называют пробоем диэлектрика. Значение напряжения в момент пробоя Uпр называют пробивным напряжением, напряжен­ность электрического поля Епр - электрической прочностью.

Если напряжение U достигло значения Uпр, то сквозной ток рез­ко увеличивается даже и тогда, когда напряжение на электродах уменьшается. Это обусловливается тем, что под действи­ем приложенного напряжения в диэлектрике происходят необра­тимые изменения, резко уменьшающие его электрическое сопротивление. Различают следую­щие виды пробоя диэлектриков.

Электрический пробой - это процесс, в результате которого ди­электрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, ионов или молекул. Он вызывается ударной ионизацией электронами.

^ Электротепловой пробой обусловлен прогрессивно нарастаю­щим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектри­ческих потерь или электропроводности; его часто называют теп­ловым пробоем.

Тепловой пробой возникает, когда нарушается равновесие меж­ду теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающую среду. Если выделяющаяся теплота боль­ше отводимой, то диэлектрик нагревается, и в местах наихудшего теплоотвода температура возрастает до такого значения, при ко­тором происходит прожог, проплавление, т.е. пробой.

^ Электрохимический пробой (электрическое старение) обусловлен медленными изменениями химического состава и сруктуры диэлек­трика, которые развиваются под действием электрического поля или частичных разрядов в диэлектрике или в окружающей диэлек­трик среде. Процесс электрохимического пробоя развивается в электрических полях с напряженностью, значительно меньшей, чем электрическая проч­ность диэлектрика.
^ Электроизоляционные пластмассы
Основной частью пластмасс являются полимеры – высокомолекулярные соединения. В состав пластмасс кроме полисеров могут входить наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители, красители, порообразователи и другие добавки. Полимеры имеют большую молекулярную массу и состоят из мономеров. Полимеризацией называют реакцию образования полимера из молекул мономера без выделения низкомолекулярных побочных продуктов. Поликонденсация – реакция образования полимера из мономеров с выделением низкомолекулярных веществ. Полимеры делят на линейные и пространственные.

^ Термопластичные полимеры (термопласты) получают на основе полимеров с линейной структурой макромолекул. При нагревании они размягчаются, а при охлаждении затвердевают, при этом не происходит никаких химических реакций и процесс неоднократно обратим.

^ Термореактивные полимеры (реактопласты) при нагревании образуют пространственную структуру макромолекул и переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. Этот процесс является необратимым.

^ Линейные неполярные полимеры характеризуются малыми диэлектрическими потерями, применяются как электроизоляционные материалы в электротехнике и радиоэлектронике. К ним относятся: полиэтилен , полистирол , полиизобутилен , полипропилен, политетрафторэтилен (фторопласт-4) , имеют наибольшее техническое значение из материалов, получаемых полимеризацией.

^ Линейные полярные полимеры по сравнению с неполярными обладают большими значениями диэлектрической проницаемости (ε = 3…6) и диэлектричесими потерями (tgδ = (1…6)10-2 на частоте 1МГц). Такие свойства объясняются асимметричностью строения элементарных звеньев макромолекул, благодаря чему в этих материалах возникает дипольно-релаксационная поляризация. К числу этих полимеров относятся поливинилхлорид , политрифторхлорэтилен (фторопласт-3) , полиамидные смолы.

^ Полимеры, получаемые поликонденсацией по типу связующего вещества пластмассы подразделяются на феноло-формальдегидные (фенопласты), эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические, полиимидные. Феноло-формальдегидные смолы это продукты поликонденсации фенолов с формальдегидом. В зависимости от условий проведения поликонденсации можно получить термопластичные смолы, называемые новолачными (при избытке фенола), или термореактивные, называемые резольными (при избытке формальдегида). Новолачные смолы применяются для производства лаков и пресс-порошков для изготовления электрической изоляции. Резит (бакелит в стадии С) используется при изготовлении слоистых пластиков (гетинакса и текстолита).

Термореактивные полиэфирные смолы (глифталевые) применяются для пропитки обмоток электрических машин, трансформаторов. Термопластичный полимер, получаемый из этиленгликоля и терефталевой кислоты (лавсан) применяется при производстве конденсаторов и в качестве пазовой изоляции в электрических машинах, по диэлектрическим показателям относится к слабополярным диэлектрикам.

Эпоксидные полимеры используются в качестве электроизоляционных и герметизирующих материалов, они обладают хорошей адгезией практически ко всем конструкционным материалам.

Кремнийорганические полимеры могут быть получены в виде эластичных смол, твердых тел и жидких диэлектриков. Практически не смачиваются водой, используются для придания водоотталкивающих свойств пластмассам, керамике и другим материалам.

Полиимиды относятся к числу наиболее нагревостойких органических полимеров, применяются для изготовления пленок, лаков, нагревостойких волокон.

Композиционные материалы получают в процессе горячего прессования бумаги, ткани или стеклоткани, пропитанных термореактивной смолой. В зависимости от наполнителя называются гетинакс, текстолит и стеклотекстолит. Используются для изготовления печатных плат и других электроизоляционных изделий.

mayak-novosti-25012006-stadnickaya-lora-0900-tv-15-pervij-kanal-novosti-ekonomiki-25-01-2006-evteev-07-42-15.html
mayak-novosti-25082005-120000-pervij-kanal-novosti-25-08-2005-18-00-00-8.html
mayak-novosti-25112005-stadnickaya-lora-1000-pervij-kanal-novosti-25-11-2005-neroznak-vsevolod-09-00-19.html
mayak-novosti-26052005-210000-pervij-kanal-novosti-26-05-2005-12-00-0013.html
mayak-novosti-26102007-garin-petr-1300-gosduma-rf-monitoring-smi-27-29-oktyabrya-2007-g.html
mayak-novosti-27062005-180000-press-sluzhba-frakcii-edinaya-rossiya-gosduma-rf.html
  • shpora.bystrickaya.ru/zakon-ssha-o-reforme-grazhdanskoj-sluzhbi1978-g-izvlecheniya-yu-a-tihomirov-avtor-mnogih-fundamentalnih-issledovanij.html
  • books.bystrickaya.ru/doklad-o-rezultatah-i-osnovnih-napravleniyah-deyatelnosti-otdela-zapisi-aktov-grazhdanskogo-sostoyaniya.html
  • zadachi.bystrickaya.ru/tehnicheskaya-ekspluataciya-zdanij-i-sooruzhenij.html
  • shpargalka.bystrickaya.ru/vistavochnogo-meropriyatiya-stranica-2.html
  • literature.bystrickaya.ru/dvizhenie-chastici-v-oblasti-potencialnogo-poroga-potencialnaya-energiya-chastici-imeet-vid.html
  • obrazovanie.bystrickaya.ru/profilaktika-narkomanii-i-alkogolizma.html
  • uchenik.bystrickaya.ru/geologchna-budova-mneralogchn-ta-tehnologchn-osoblivost-kurchickogo-rodovisha-grantv-v-zhitomirskj-oblast.html
  • vospitanie.bystrickaya.ru/vsya-shvejcariya-na-ladoni.html
  • laboratornaya.bystrickaya.ru/referat-na-temu-neobhodimost-ispolzovaniya-informacionnih-tehnologij-v-transportnoj-logistike-4.html
  • holiday.bystrickaya.ru/obyavlen-otkritij-konkurs.html
  • ekzamen.bystrickaya.ru/socialnij-proekt.html
  • lecture.bystrickaya.ru/aza-keestk-nern-aliptasui.html
  • notebook.bystrickaya.ru/grafik-provedeniya-gosudarstvennoj-itogovoj-attestacii-vipusknikov-ix-klassov-v-novoj-forme-v-2012-godu.html
  • abstract.bystrickaya.ru/21organizaciya-nalogovogo-ucheta-buhgalterskaya-otchetnost-i-uchetnaya-politika-ooo-viktoriya-baltiya.html
  • prepodavatel.bystrickaya.ru/territorialnaya-organizaciya-i-rajonirovanie-rossii-chast-3.html
  • doklad.bystrickaya.ru/uchebnoe-posobie-razrabotano-v-sootvetstvii-s-uchebnoj-programmoj-predmeta-russkij-yazik-ohvativaet-vse-osnovnie-normi-sovremennogo-russkogo-literaturnogo-yazika-fonetika-orfoepiya.html
  • knigi.bystrickaya.ru/sejchas-kogda-mi-dozhivaem-poslednie-mesyaci-poslednego-veka-vtorogo-tisyacheletiya-chto-bi-tam-ni-govorili-a-xxi-stoletie-nastupit-lish-1-yanvarya-2001-goda-hot-tr-stranica-13.html
  • esse.bystrickaya.ru/razrabotka-racionalnogo-rezhima-plavki-stalnogo-poluprodukta-v-sverhmoshnih-dugovih-elektropechah.html
  • thesis.bystrickaya.ru/pravovoj-status-tamozhennogo-predstavitelya-v-svete-tamozhennogo-kodeksa-tamozhennogo-soyuza.html
  • laboratornaya.bystrickaya.ru/razrabotka-reglamentiruyushih-dokumentov-dlya-organizacii-i-provedeniya-olimpiad-shkolnikov-po-matematike-sostav-nauchno-obrazovatelnogo-kollektiva.html
  • literature.bystrickaya.ru/blm-beru-badarlamasi-tsndrme-zhazba-mektepaldi-dayarli-blm-beru-badarlamasi.html
  • textbook.bystrickaya.ru/iskusstvo-ne-zerkalo-a-molotok-stranica-10.html
  • tasks.bystrickaya.ru/11-perehodnaya-epoha-i-transformacii-sovremennoj-kulturi-ignoto-deo-novaya-religioznost-v-kulture-i-iskusstve.html
  • zadachi.bystrickaya.ru/uchastie-v-mezhdunarodnih-konferenciyah-proekt-1-gallij-germanievij-nejtrinnij-teleskop.html
  • literatura.bystrickaya.ru/rekomendacii-po-oformleniyu-spiska-ispolzovannoj-literaturi-ssilok-citat-pravila-oformleniya-spiska-ispolzovannoj-literaturi.html
  • write.bystrickaya.ru/glava-9-statisticheskij-analiz-uslovij-socialno-ekonomicheskogo-razvitiya-obshestva.html
  • bukva.bystrickaya.ru/myasnie-i-otkormochnie-kachestva-svinej-i-sposobi-ih-opredeleniya.html
  • letter.bystrickaya.ru/obespecheniya-tehnicheskimi-sredstvami-ekspertnogo-podrazdeleniya-stranica-5.html
  • zanyatie.bystrickaya.ru/organizacionno-ekonomicheskie-rezervi-povisheniya-efektivnosti-proizvodstva-produkcii-v-myasnom-skotovodstve-na-primere-kolhoza-im-chapaeva-ulyanovskoj-obl-chast-8.html
  • nauka.bystrickaya.ru/v-stolknovenii-5-avtomashin-na-kad-pogib-muzhchina-dvoe-gospitalizirovani-internet-izdanie-saint-petersburgru-15082011.html
  • learn.bystrickaya.ru/godovoj-plan-shkolnoj-biblioteki-na-2011-2012-uchebnij-god-1.html
  • credit.bystrickaya.ru/otchet-otdeleniya-filosofii-obrazovaniya-i-teoreticheskoj-pedagogiki-za-2008-god-chast-i.html
  • paragraph.bystrickaya.ru/lekciya-2-rabochaya-programma-po-nevrologii-dlya-specialnosti-040200-pediatriya-kvalifikaciya-vrach-pediatr.html
  • holiday.bystrickaya.ru/nacionalnaya-detskaya-literaturnaya-premiya-zavetnaya-mechta-literaturnie-premii-mira.html
  • composition.bystrickaya.ru/plani-seminarskih-zanyatij-programma-disciplini-filosofiya-cikl-gse-dlya-vseh-specialnostej-i-napravlenij-podgotovki.html
  • © bystrickaya.ru
    Мобильный рефератник - для мобильных людей.