Свойства радиоматериалов и радиокомпонентов, которые проявляются в электромагнитных полях

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» А. М. Хадыкин РАДИОМАТЕРИАЛЫ И РАДИОКОМПОНЕНТЫ Конспект лекций Омск Издательство ОмГТУ 2008 УДК 621.396.002 (075) ББК 31.23я73 Р15 Рецензенты: В. С. Щербаков, д-р техн. наук, профессор, Сибирская государственная автодорожная академия; Ю. Н. Стенькин, канд. хим. наук, доцент, Омский филиал института физики полупроводников СО РАН Р 15 Радиоматериалы и радиокомпоненты: конспект лекций / Авт. сост. А. М. Хадыкин. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. – 92 с. В краткой конспективной форме изложен материал по радиоматериалам и радиокомпонентам в объеме, предусмотренном ныне действующей программой дисциплины и государственным образовательным стандартом по специальностям 210302 и 210402. Пособие предназначено для студентов заочной формы обучения. Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета. УДК 621.396.002 (075) ББК 31.23 я73 © Омский государственный технический университет, 2008 2 СОДЕРЖАНИЕ Введение ................................................................................................... 4 1. Свойства материалов......................................................................... 6 1.1. Классификация материалов.......................................................... 6 1.2. Виды химических связей в материалах ....................................... 7 1.3. Структура твердых тел. Дефекты структуры .............................. 9 1.4. Элементы зонной теории твердого тела .................................... 16 2. Проводниковые материалы ............................................................ 23 2.1. Электропроводность проводниковых материалов.................... 24 2.2. Сверхпроводимость проводниковых материалов ..................... 26 2.3. Контактная разность материалов. Термоэлектродвижущая сила............................................................ 28 2.4. Контакты ..................................................................................... 30 2.5. Классификация проводниковых материалов ............................ 33 3. Полупроводниковые материалы ................................................... 34 3.1. Особенности полупроводников ................................................. 35 3.2. Электропроводность полупроводников .................................... 36 3.3. Термоэлектрические свойства ................................................... 40 3.4. Электронно-дырочный переход ................................................. 43 3.5. Фотоэлектрические свойства полупроводников ....................... 46 3.6. Классификация полупроводниковых материалов .................... 49 4. Магнитные материалы.................................................................... 51 4.1. Природа ферромагнетизма ......................................................... 53 4.2. Основные характеристики ферромагнетиков ........................... 54 4.3. Потери в ферромагнитных материалах ..................................... 58 4.4. Энергия в зазоре ферромагнетика.............................................. 58 4.5. Классификация ферромагнитных материалов .......................... 59 5. Диэлектрические материалы ......................................................... 62 5.1. Поляризация диэлектриков ........................................................ 63 5.2. Электропроводность диэлектриков ........................................... 68 5.3. Диэлектрические потери ............................................................ 73 5.4. Пробой диэлектриков ................................................................. 77 5.5. Классификация диэлектрических материалов .......................... 85 Библиографический список ................................................................ 88 3 ВВЕДЕНИЕ Данное пособие предусматривает изучение свойств радиотехнических материалов, которые проявляются в электромагнитных полях, но в то же время зависят от состава материалов, их структуры и внешних воздействий. Под составом материала здесь понимается только основной химический состав: органический, неорганический или элементоорганический. Под структурой – кристаллическая, аморфная, жидкокристаллическая и доменная структуры. Под внешней средой – различные виды воздействующих на материал полей (локальных или общих): электромагнитного, теплового, механического, светового, радиационного и др. Поведение материалов в электромагнитных полях характеризуется параметрами: 1) величиной запрещенной зоны; 2) удельным электрическим сопротивлением; 3) диэлектрической проницаемостью; 4) концентрацией носителей заряда; 5) магнитной проницаемостью и целым рядом других. Все радиотехнические материалы можно разделить по их поведению в электромагнитном поле на основные четыре группы (класса): 1. Диэлектрики – материалы, имеющие большое удельное электрическое сопротивление:   103…1016 Омм и большую запрещенную зону Wg  3 эВ. 2. Полупроводники – материалы, диапазон удельных электрических сопротивлений которых очень велик и перекрывает собой значения сопротивлений диэлектриков и проводников:   103 …108 Омм, ширина запрещенной зоны Wg  3 эВ. 3. Проводники – материалы, имеющие очень маленькое удельное сопротивление:   10-8…10-4 Омм, запрещенная зона практически отсутст-вует. 4. Магнитные материалы – материалы, у которых диапазон сопротивлений большой, но для них главное – концентрирование магнитных силовых линий в материале и высокая магнитная проницаемость – . 4 Ниже представлена структурная схема дисциплины. Структурная схема дисциплины Каждая группа материалов имеет свои основные электрические, магнитные, тепловые, механические и другие характеристики; для каждого конкретного материала они приводятся в справочниках. Когда нужно выбрать материал для изготовления того или иного изделия, берут справочник и подбирают по требуемым характеристикам материал. За каждым числовым значением каждого параметра стоит явление, свойство, поведение материала, которое проявляется в условиях, требуемых при эксплуатации данного элемента, прибора, устройства. 5 В основу конспекта лекций положен материал, представленный в работах [1; 43]. 1. Свойства материалов 1.1. Классификация материалов Материалы, используемые в радиотехнике и электронике, подразделяют на конструкционные и радиотехнические. Из конструкционных материалов изготавливают вспомогательные элементы конструкций РЭС, такие как несущие конструкции, различные механизмы корпуса. Радиотехнические материалы (радиоматериалы) – это класс материалов, характеризуемых определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемых в радиотехнике с учетом этих свойств. Радиоматериалы необходимы для изготовления проводов, кабелей, волноводов, антенн, изоляторов, конденсаторов, резисторов, катушек индуктивности, трансформаторов, постоянных магнитов, полупроводниковых приборов, электронных ламп, устройств функциональной электроники. От свойств радиоматериалов зависит работа электрической схемы радиотехнического устройства. Основными физическими параметрами радиоматериалов являются электропроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемость. По физическим (электрическим и магнитным) свойствам все радиоматериалы принято подразделять на четыре класса. По электрическим свойствам выделяют проводниковые, диэлектрические и полупроводниковые материалы, а по магнитным – магнитные материалы. Проводниковые материалы характеризуются относительно низким электросопротивлением. Такие материалы применяют для изготовления монтажных проводов, кабелей, в качестве контактных материалов. Высокоомные проводниковые материалы с заданной величиной электросопротивления используют для изготовления резистивных элементов таких радиокомпонентов, как резисторы. Диэлектрические материалы, напротив, характеризуются очень высоким удельным электросопротивлением и обычно применяются в качестве электроизоляционных материалов, таких как различные установочные изделия, электроизоляционные подложки и печатные платы, каркасы катушек индуктивности и трансформаторов, пропиточные материалы. Диэлектрические материалы с заданной величиной диэлектрической проницаемости широко применяются в качестве электроизоляционных прокладок при изготовлении электрических конденсаторов. 6 Активные диэлектрики – сегнетоэлектрики – отличаются от электроизоляционных материалов заметной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля и температуры. В активных диэлектриках, как правило, наблюдается пьезоэффект, заключающийся в проявлении механических напряжений в диэлектриках под действием электрического поля. Такие диэлектрики называют пьезоэлектриками. Полупроводниковые материалы используют в радиотехнике и электронике, когда необходимо получить электрическое сопротивление материала, управляемое электрическим или магнитным полем, а также температурой или освещенностью. Из полупроводниковых материалов изготавливают диоды, транзисторы, термисторы, фоторезисторы и другие полупроводниковые приборы. Магнитные материалы обладают способностью намагничиваться под действием магнитного поля. Из магнитных материалов делают сердечники катушек индуктивности, магнитопроводы трансформаторов, магнитные элементы памяти. Некоторые разновидности магнитных материалов сохраняют свою намагниченность после воздействия магнитного поля и применяются для изготовления постоянных магнитов. В радиотехнике и электронной технике применяют разнообразные материалы, количество наименований которых превышает несколько тысяч. 1.2. Виды химических связей в материалах При сближении атомов до расстояния нескольких долей нанометра (1нм = 10-9 м), между ними появляются силы взаимодействия. Если эти силы являются силами притяжения, то атомы могут соединяться с выделением энергии, образуя химические соединения. При этом электроны внутренних и внешних оболочек атомов ведут себя поразному. Электроны внутренних, полностью заполненных оболочек прочно связаны с ядром и не участвуют в образовании химических связей. Строение внешней, не полностью заполненной электронами оболочки определяет химические свойства атомов в образовавшемся соединении. Электроны, находящиеся на внешних оболочках, являются валентными. Валентность атома определяется числом этих электронов. Все многообразие существующих в природе материалов характеризуется несколькими видами химической связи. Ковалентная (гомеополярная) связь. При наличии такой связи объединение атомов в молекулу достигается за счет электронов, 7 которые становятся общими для пар атомов (рис. 1.1). Плотность отрицательно заряженного электронного облака между положительно заряженными ионами получается наибольшей. Появление состояния с повышенной плотностью электронного заряда в межионном пространстве приводит к возникновению сил притяжения между атомами. Рис. 1.1. Условное изображение ковалентной связи Ковалентная связь характерна как для органических, так и для неорганических соединений. К неорганическим веществам с ковалентной связью относятся алмаз, кремний, германий, арсенид галлия (GaAs), карбид кремния (SiС) и другие, являющиеся полупроводниками. Многие полупроводники кристаллизируются в структуре алмаза, в которой каждый атом образует четыре связи со своими ближайшими соседями. Ковалентная связь в неорганических материалах характеризуется высокой прочностью. Подтверждением этому является высокая твердость и температура плавления алмаза, кремния и др. Ионная (гетерополярная) связь наблюдается в химических соединениях атомов металла с металлоидными атомами (типа NaCl). Ионная связь возникает вследствие перехода валентных электронов от металлоидного атома к металлоидному и возникновения электростатического притяжения разноименно заряженных атомов друг другу. На рис. 1.2 схематически представлена трехмерная решетка гипотетического ионного кристалла, где атомы металла изображены в виде точек (положительно заряженные ионы-катионы), а атомы металлоида – в виде кружочков (отрицательные ионы-анионы). В решетке ионого кристалла чередуются ионы различного сорта. Способность атома захватывать электрон при образовании ионной химической связи называется электроотрицательностью. Чем больше разность электроотрицательностей атомов, участвующих в образовании химической связи, тем больше степень ионности соединения. Металлическая связь существует в системах, построенных из положительных атомных островов, находящихся в среде свободных коллективизированных электронов (рис. 1.3). Притяжение между положительными ионами и электронами обусловливает существование 8 металлов как химических соединений. Металлическую связь можно рассматривать до некоторой степени как ковалентную связь, поскольку в ее основе лежит обобществление внешних валентных электронов. Специфика металлической связи состоит в том, что обобществленные электроны свободно перемещаются внутри всей решетки, образуя «электронный газ». Поэтому металлическим материалам свойственны пластичность, высокая электро- и теплопроводность. Рис. 1.2. Расположение ионов в кристаллической решетке при наличии ионной связи Рис. 1.3. Схематическое изображение возникновения металлической связи Молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса). Этот вид химичечкой связи наблюдается у ряда веществ (парафин, жидкие кристаллы) между молекулами с ковалентным характером внутримолекулярного взаимодействия. Вещества с молекулярной связью характеризуются сравнительно низкой температурой плавления и невысокой мехиничской прочностью. 1.3. Структура твердых тел. Дефекты структуры Структура твердых тел. Твердые тела характеризуются, как правило, регулярным расположением атомов и молекул. Различают аморфную и кристаллическую структуру твердых тел. Аморфные структуры – это структуры, не имеющие явно выраженного дальнего порядка в расположении атомов. К таким материалам относятся, например, стекла, многие органические материалы и т. д. 9 Рис. 1.4. Трехмерная кристаллическая структура Кристаллические структуры – это структуры, представляющие периодическую решетку, в узлах которой расположены атомы (рис. 1.4). Трехмерная кристаллическая структура представляет собой решетку, построенную на трех координатных осях x, y, z, расположенных в общем случае под углами α, β, γ. Периоды трансляции атомов по осям (параметрам решетки) равны соответственно a, b, c. Элементарная ячейка кристалла – это параллелепипед, построенный на векторах трансляции a, b, c. В результате трансляции элементарной ячейки в пространстве получается пространственная простая ячейка – так называемая решетка Браве. Существует четырнадцать типов решеток Браве. Кроме того, в природе существует четыре типа сложных элементарных ячеек. Рис. 1.5. Сложные элементарные ячейки: а – объемоцентрированная; б – гранецентрированная; в – базоцентрированная; г – гексацентрированная Объемоцентрированная (ОЦ) ячейка (рис. 1.5,а) – содержит дополнительно один атом на пересечении диагоналей куба (или, в общем случае, параллелепипеда). В ОЦ кубической структуре 10 , Cr , Fe , Nb , Ta ,W кристаллизируются такие металлы, как V (индекс обозначает номер элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева). Гранецентрированная (ГЦ) ячейка (рис. 1.5,б) – содержит дополнительно по одному атому в плоскости каждой грани. В ГЦ кубической структуре кристаллизируются металлы 23 24 26 41 7374 Al , Ni , Cu , Ag , Pt , Au 13282947 78 79 и др. Базоцентрированная (БЦ) ячейка (рис. 1.5,в) – содержит дополнительно по одному атому в центрах противоположных граней. Гексацентрированная ячейка (рис. 1.5,г), как и БЦ ячейка, содержит по одному атому в центре противоположных граней. В гексогональной Тi , Co , Zn , структуре кристаллизируются многие кристаллы – 22 27 30 Y , 40 Zr , 64 Cd , 71 Lu. 39 На основе первых трех типов сложных элементарных ячеек (ОЦ, ГЦ, БЦ) путем трансляции элементарной ячейки на расстояние А, меньше периода трансляции, получаются так называемые решетки с базисом (рис. 1.6). Например, кристаллическая решетка алмаза, Si, Ge, GaAs получаются путем трансляции ГЦК ячейки на расстояние, равное ¼ пространственной диагонали. Рис. 1.6. Двумерная решетка с базисом Для обозначения узлов, направлений и плоскостей используют индексы Миллера. В этом случае координаты любого узла можно выразить как x  m a, y  n  b, z  p  c, где a, b, c  параметры решетки, m, n, p  целые или дробные числа. Если за единицы измерения длин принять параметры решетки, то координатами узла будут просто целые или дробные числа m, n, p . Эти числа называются индексами узла и записывают следующим образом: mnp  (рис. 1.7,а). Для описания направления в кристалле выбирается прямая, проходящая через начало координат. Ее направление однозначно определяется индексами mnp  первого узла, через который она проходит (рис. 1.7,а). Поэтому индексы узла одновременно являются и индексами направления. Индексы направления обозначаются mnp. Строго говоря, 11 указанные индексы определяют целое семейство физически эквивалентных направлений в кристалле, получаемых циклической перестановкой значений индексов т, n, p. Индексы эквивалентных  mnp направлений обозначают . Отметим, что если в символах узлов могут применяться дробные индексы, то для символов направлений и плоскостей используются только целочисленные индексы. Рис. 1.7. Обозначение узлов, направлений (а) и плоскостей (б) к кристаллической решетке Индексы плоскости находятся следующим образом: выражают отрезки Н, K, L, которые плоскость отсекает на осях решетки (рис. 1. 7, б), в осевых единицах Н = m, K = n, L = p, где m, n, p – целые числа (координаты узлов), не равные нулю. Записывают величины, обратные ,1 /n ,1 /p . Находят наименьшее целое общее кратное этим отрезкам, 1/m (НОК) чисел m, n, p. Пусть НОК = d. В этом случае индексы Миллера плоскости будут являться целые числа h = d/m, k = d/n, l = d/p, которые записываются так: hkl  . Индексы Миллера для значений m, n или p, равных бесконечности (случай, когда плоскость параллельна одной или двум осям координат), принимаются равными нулю. Например, для значений m  3 , n  , p   индексы Миллера данной плоскости равны (100). Так же, как и индексы направлений, индексы Миллера определяют не одну плоскость, а целое семейство плоскостей. Совокупность физически эквивалентных плоскостей, например всех шести граней куба, обозначают {hkl}. В качестве примера на рис. 1.8 приведены обозначения основных плоскостей и направлений в кубической и гексогональной решетке ках. В кубической решетке (рис. 1.8а,б,в) индексы плоскости совпадают с индексами направления, перпендикулярного этой плоскости. 12 Рис. 1.8. Индексы плоскостей в кристаллических решетках: а, б, в – плоскости (100), (110) и (111) в кубической решетке; г – плоскость (0001) и направления координатных осей и, х, у  в гексагональной решетке (вид со стороны оси z) Для удобства описания гексагональной решетки часто к трехосной системе координат добавляют четвертую координатную ось u, которая составляет равные углы (120°) с осями х и у и перпендикулярна гексагональной оси z (рис. 1.8,г). В получившейся четырехосной системе координат (х, у, и, z) каждая из граней элементарной гексагональной ячейки пересекает по две координатные оси, отсекая от них одинаковые отрезки. Проекции узловых точек на оси координат х, у, и, z могут представлять собой дробные или отрицательные числа. После приведения к общему знаменателю числители полученных дробей являются индексами направления. В качестве примера на рис. 1.8,г приведены индексы координатных осей х, у, и. Значения индекса, меньше щзя, отмечены знаком инверсии над соответствующим индексом. Например, координаты узла В, лежащего на оси у (рис. 1.8, г), равны [[-1/2, 1, -1/2, 0]]. Следовательно, индексы направления, совпадающего с осью у, равны [1210]. Индексы направлений координатных осей х и и равны [2110] и [1120], соответственно. Структурные дефекты твердых тел. Реальные кристаллы всегда содержат некоторое число дефектов кристаллической структуры. Появление дефектов в кристаллах неизбежно, поскольку они образуются уже в процессе выращивания монокристалла вещества. Их концентрация быстро возрастает с температурой, а также при деформировании кристалла. Различают два основных вида дефектов кристаллической решетки. Точечные дефекты создаются при внедрении в узлы и междуузлия идеальной кристаллической структуры «чужеродных» атомов, например при приготовлении сплава (рис. 1.9,а,б). Кроме того, к точечным дефектам относятся вакансии, то есть незаполненные атомами основного материала узлы кристаллической решетки. При этом атом основного материала может находиться рядом, в междуузлии 13 кристаллической решетки (дефекты по Френкелю, рис.1.9,в). Возможен случай, когда атом вообще может испариться из объема материала и вакансия является одиночной (дефекты по Шоттки, рис. 1.9, г). Рис. 1.9. Условное изображение точечных дефектов кристаллической решетки: а – дефекты типа внедрения; б – дефекты типа замещения; в – дефекты по Френкелю; г – дефекты по Шоттки Точечные дефекты кристаллической решетки могут образовываться при бомбардировке поверхности кристалла ускоренными заряженными ионами различных веществ. Дефекты такого происхождения называют радиационными дефектами. Дислокация – это линейный дефект, заключающийся в смещении плоскостей кристаллической решетки относительно друг друга. Различают два основных типа дислокаций: линейная (краевая) дислокация представляет результат неполного сдвига кристаллической решетки. В итоге появляется незаконченная плоскость атомов (рис. 1.10, а); винтовая дислокация возникает вследствие полного сдвига некоторого участка решетки (рис. 1.10, б). 14 Рис. 1.10. Условное изображение линейных дефектов кристаллической решетки: а – линейная дислокация; б – винтовая дислокация Выходы дислокаций на поверхность кристалла можно обнаружить по результатам травления кристалла в специальном травителе. В результате травления на поверхности кристалла появляются ямки травления, хорошо видимые под микроскопом. Плотность дислокаций оценивают визуально, подсчитывая под микроскопом число ямок травления на единице площади поверхности кристалла. Например, кристалл полупроводникового материала пригоден к дальнейшему использованию, если плотность дислокаций в нем не превышает 106…107 м-2. Хотя относительная концентрация атомных дефектов может быть небольшой, но изменения физических свойств кристалла, вызываемые ими, могут быть огромными. Например, тысячные доли атомного процента некоторых примесей могут изменять электрическое сопротивление чистых полупроводниковых кристаллов в 105–106 раз. Протяженные дефекты структуры оказывают сильное влияние на механические свойства кристаллов. Полиморфизм. Некоторые твердые вещества обладают способностью образовывать не одну, а две и более кристаллические структуры, устойчивые при различных температурах и давлениях. Такое свойство материалов называют полиморфизмом, а отвечающие им кристаллические структуры называют полиморфными формами или аллотропными модификациями вещества. Модификацию, устойчивую при нормальной и более низкой температуре, принято обозначать буквой α; модификации, устойчивые при более высоких температурах, обозначают соответственно буквами β, γ и т. д. Полиморфизм широко распространен среди технических материалов и имеет важное значение для их обработки и эксплуатации. Классическим примером полиморфизма является низкотемпературное преращение белого олова (β-Sn) в серое (α-Sn), известное в технике как «оловянная чума». Практический интерес представляет полиморфизм углерода – сущетвование его в виде алмаза или графита. В обычных условиях графит является более устойчивой модификацией, чем алмаз. Однако при повышении давления устойчивость алмаза растет, а графита падает, и при достаточно высоких давлениях алмаз становится более устойчивым. Если при этом повысить температуру, чтобы увеличить подвижность атомов, то графит можно перевести в алмаз. 15 Стекла и другие аморфные тела. Не все твердые тела имеют кристаллическую структуру, хотя кристаллическое состояние большинства твердых тел является естественным, потому что энергия при упорядоченном расположении атомов меньше, чем в случае их нерегулярного расположения, а любая система стремится перейти в состояние с минимальной свободной энергией. Однако атомы не всегда имеют благоприятную возможность располагаться упорядоченно в процессе затвердевания. Препятствием этому может быть резкое уменьшение скорости диффузии атомов при охлаждении среды. Твердые тела, которые характеризуются случайным хаотичным расположением частиц, называют аморфными. В отличие от кристаллов аморфные тела изотропны по свойствам, не имеют определенной температуры плавления и характеризуются достаточно широким температурным интервалом размягчения. Наглядным примером аморфных веществ могут служить стекла и многие пластинки. В стеклах при отсутствии периодичности в строении можно наблюдать определенный ближний порядок, т. е. закономерное расположение ближайших соседей относительно каждого атома. Стеклообразное состояние можно рассматривать как состояние сильно переохлажденной жидкости, т. е. жидкости с очень высокой вязкостью. Именно высокая вязкость ограничивает диффузионную активность атомов и препятствует образованию кристаллической фазы. Однако такое состояние термодинамически неустойчиво. Поэтому при отжиге может происходить «расстекловывание» материала, т. е. переход в более устойчивое кристаллическое состояние. 1.4. Элементы зонной теории твердого тела Зонная теория является основой современных представлений о механизмах различных физических явлений, происходящих в твердом кристаллическом веществе при воздействии на него электромагнитного поля. Зонная теория твердого тела – это теория валентных электронов, движущихся в периодическом потенциальном поле, кристаллической решетки. Как отмечалось, отдельные атомы имеют дискретный энергетический спектр, т. е. электроны могут занимать лишь вполне определенные энергетические уровни. Часть этих уровней заполнена при нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться только тогда, когда атом подвергнется внешнему энергетическому воздействию, т. е. когда он возбужден. Стремясь к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент перехода электронов с возбужденных уровней на уровни, на которых его энергия минимальна. 16 Сказанное характеризуется приведенной на рис. 1.11,а. энергетической диаграммой атома, Рис. 1.11. Схема расположения энергетических уровней: а – уединенного атома; б – неметаллического твердого тела Если имеется система из N одинаковых атомов, достаточно удаленных друг от друга (например, газообразное вещество), то взаимодействие между атомами практически отсутствует и энергетические уровни электронов остаются без изменений. Обменное взаимодействие. При конденсации газообразного вещества в жидкость, а затем при образовании кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у атомов данного типа электронные уровни (как заполненные электронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. В частности, притяжение электронов одного атома ядром соседнего снижает высоту потенциального барьера, разделяющего электроны в уединенных атомах. Главное состоит в том, что при сближении атомов происходит перекрытие электронных оболочек, а это, в свою очередь, существенно изменяет характер движения электронов. Благодаря перекрытию оболочек, электроны могут без изменения энергии посредством обмена переходить от одного атома к другому, т. е. перемещаться по кристаллу. Обменное взаимодействие имеет чисто квантовую природу и является следствием неразличимости электронов. В этом случае уже нельзя говорить о принадлежности того или иного электрона определенному атому – каждый валентный электрон принадлежит всем атомам кристаллической решетки одновременно. Иными словами, при перекрытии электронных оболочек происходит обобществление электронов. Энергетические зоны. Вследствие обменного взаимодействия дискретные энергетические уровни изолированного атома 17 расщепляются в энергетические зоны, как это показано для неметаллического твердого тела на рис. 1.11, б. Размещенные энергетические зоны разделены запрещенными интервалами энергии. Ширина разрешенных энергетических зон не зависит от размеров кристалла, а определяется лишь природой атомов, образующих твердое тело, и симметрией кристаллической решетки. Обозначим через ЭА энергию обменного взаимодействия между двумя соседними атомами. Тогда для кристаллов с простой кубической решеткой, где каждый атом имеет 6 ближайших соседей, расщепление уровней в зоны составит 12 ЭА; для гранецентрированной решетки (первая координационная сфера состоит из 12 атомов) ширина энергетической разрешенной зоны составит 24 ЭА, а в объемноцентрированной (у каждого атома 8 соседей) – 16 ЭА. Поскольку обменная энергия ЭА зависит от степени перекрытия электронных оболочек, то уровни энергии внутренних оболочек, которые сильнее локализованы вблизи ядра, расщепляются меньше, чем уровни валентных электронов. Расщеплению в зону подвержены не только нормальные (стационарные), но и возбужденные энергетические уровни. Ширина разрешенных зон при перемещении вверх по энергетической шкале возрастает, а величина запрещенных энергетических зазоров соответственно уменьшается. Каждая зона состоит из множества энергетических уровней. Очевидно, их количество определяется числом атомов, составляющих твердое тело. Это значит, что в кристалле конечных размеров расстояние между уровнями обратно пропорционально числу атомов. В кристалле объемом в 1 см3 содержится 1022 – 1023 атомов. Экспериментальные данные показывают, что энергетическая протяженность зоны валентных электронов не превышает единиц электронвольт. Отсюда можно сделать вывод, что уровни в зоне отстоят друг от друга по энергии на -22 -23 10 – 10 эВ, т. е. энергетическая зона характеризуется квазинепрерывным спектром. Достаточно ничтожно малого энергетического воздействия, чтобы вызвать переход электронов с одного уровня на другой, если там имеются свободные состояния. Распределение электронов. В соответствии с принципом Паули на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, причем с противоположным направлением спинового магнитного момента. Поэтому число электронных состояний в зоне оказывается конечным и равным числу соответствующих атомных состояний. Конечным оказывается и число электронов, заполняющих данную энергетическую зону, что играет важную роль в формировании энергетического спектра кристалла. 18 Подобно энергетическим уровням в изолированных атомах энергетические зоны могут быть полностью заполненными, частично заполненными и свободными. Внутренние оболочки в изолированных атомах заполнены, поэтому соответствующие им зоны также оказываются заполненными. Самую верхнюю из заполненных электронами зон называют валентной. Эта зона соответствует энергетическим уровням электронов внешней оболочки в изолированных атомах. Ближайшую к ней свободную, незаполненную электронами зону называют зоной проводимости. Взаимное положение этих двух зон определяет большинство процессов, происходящих в твердом теле. Выводы зонной теории. Характер энергетического спектра у металлических проводников, полупроводников и диэлектриков существенно различен. В металлических проводниках валентная зона заполнена не полностью или перекрывается с зоной проводимости. В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости и валентная зона разделены некоторым энергетическим зазором, называемым запрещенной зоной. Формально к полупроводникам относят вещества, у которых запрещенная зона меньше 3 эВ. Вещества с более широкой запрещенной зоной относят к диэлектрикам. У реальных диэлектриков ширина запрещенной зоны может достигать 10 эВ. Различие в положении энергетических зон у диэлектриков, полупроводников и металлических проводников показано на рис. 1.12. Рис. 1.12. Энергетическое отличие диэлектриков от полупроводников и металлических проводников с точки зрения зонной теории твердого тела: 1 – заполненная электронами зона; 2 – зона свободных энергетических уровней; 3 – запрещенная зона шириной ΔЭ Согласно зонной теории, электроны валентной зоны имеют практически одинаковую свободу движения во всех твердых телах независимо от того, являются ли они металлами или диэлектриками. Движение осуществляется путем туннельного перехода электронов от атома к атому. Для объяснения различий в электрических свойствах 19 материалов надо принять во внимание различную реакцию на внешнее электрическое поле электронов заполненной и незаполненной зон. Внешнее электрическое поле стремится нарушить симметрию в распределении электронов по скоростям, ускоряя электроны, движущиеся в направлении действующих электрических сил, и замедляя частицы с противоположно направленным импульсом. Однако подобное ускорение и замедление связано с изменением энергии электронов, что должно сопровождаться переходом их в новые квантовые состояния. Очевидно, такие переходы могут осуществляться лишь в том случае, если в энергетической зоне имеются свободные уровни. В типичных случаях добавочная энергия, приобретаемая электронами на длине свободного пробега под действием электрического поля, составляет 10 -3 – 10-4 эВ, т. е. намного превосходит расстояние между подуровнями в зоне. В металлах, где зона не полностью укомплектована электронами, даже слабое поле способно сообщить электронам достаточный импульс, чтобы вызвать их переход на близлежащие свободные уровни. По этой причине металлы являются хорошими проводниками электрического тока. В полупроводниках и диэлектриках при температуре 0 К все электроны находятся в валентной зоне, а зона проводимости абсолютно свободна. Электроны полностью заполненной зоны не могут принимать участия в создании электрического тока. Для появления электропроводности необходимо часть электронов перевести из валентной зоны в зону проводимости. Энергии электрического поля недостаточно для осуществления такого перехода, требуется более сильное энергетическое воздействие, например нагревание твердого тела. Cредняя кинетическая энергия тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке приблизительно равна (3/2)kT. При комнатной температуре эта величина составляет приблизительно 0,04 эВ, что в общем случае существенно меньше ширины запрещенной зоны ΔЭ. Однако следует иметь в виду, что тепловая энергия неравномерно распределяется между частицами. В каждый момент времени имеется небольшое число атомов, у которых амплитуда и энергия тепловых колебаний значительно превышают среднее значение. В процессе тепловых колебаний атомы взаимодействуют не только друг с другом, но и с электронами, передавая им часть тепловой энергии. Именно за счет таких тепловых флуктуаций некоторые из электронов могут перейти из валентной зоны в зону проводимости. Очевидно, чем выше температура и меньше запрещенная зона, тем выше интенсивность межзонных переходов. У диэлектриков запрещенная зона может быть 20 настолько велика, что электронная электропроводность не играет определенной роли. При каждом акте возбуждения и перехода электронов в зону проводимости появляются энергетические вакансии в распределении электронов по состояниям валентной зоны, называемые «дырками». При наличии дырок электроны валентной зоны могут совершать эстафетные переходы с уровня на уровень. Во внешнем электрическом поле дырка движется противоположно движению электрона, т. е. ведет себя как некоторый положительный заряд с отрицательной эффективной массой. Таким образом, дырки обеспечивают участие валентных электронов в процессе электропроводности. Процесс перехода электронов в свободное состояние сопровождается и обратным явлением, т. е. возвратом электронов в нормальное состояние. В результате в веществе при любой температуре наступает динамическое равновесие т. е количество электронов, переходящих в свободную зону, становится равным количеству электронов, возвращающихся обратно в нормальное состояние. С повышением температуры число свободных электронов в полупроводнике возрастает, а с понижением температуры до абсолютного нуля – убывает вплоть до нуля. Значит, вещество, представляющее собой при одних температурах диэлектрик, при других более высоких приобретает проводимость, т. е. наступает новое качественное состояние вещества. Различие между проводимостями двух типов материалов – металлов и неметаллов – наиболее значительно при температурах, приближающихся к абсолютному нулю; различие же между двумя классами неметаллов – полупроводниками и диэлектриками – исчезает по мере приближения температуры к абсолютному нулю. Рис. 1.13. Распределение плотности состояний в энергетической зоне Электроны, находящиеся в зоне проводимости, нельзя считать абсолютно свободными. Такие электроны неизбежно будут 21 взаимодействовать с периодическим потенциальным полем кристаллической решетки. При математическом описании поведения электронов в зоне проводимости пользуются понятием эффективной массы. Эффективная масса не определяет ни инерционных, ни гравитационных свойств электрона, однако вводя понятие эффективной массы, можно движение реального электрона в кристалле с массой т0 описывать как движение абсолютно свободного электрона, т. е. эффективная масса учитывает сложный характер взаимодействия электрона с кристаллической решеткой при его движении под действием силы внешнего электрического поля. Эффективная масса может во много раз отличаться от массы свободного электрона. Упрощенная диаграмма, изображенная на рис. 1.11,б, не учитывает то обстоятельство, что состояния внутри энергетической зоны распределены неравномерно. С помощью квантовой механики можно показать, что плотность состояний N(Э) будет наибольшей в середине энергетической зоны (рис. 1.13). Кроме того, плотность состояний, т. е. их число на единичный интервал энергии, вблизи краев зоны с увеличением энергии возрастает по параболическому закону: 3/2 2 π * 1/2    N Э  2m  Э, n 3   h (1.1) где — эффективная масса электрона. Ширина запрещенной зоны меняется с изменением температуры. Это происходит по двум основным причинам: из-за изменения амплитуды тепловых колебаний атомов решетки и из-за изменения междуатомных расстояний, т. е. объема тела. С ростом температуры возрастает амплитуда тепловых колебаний атомов, увеличивается степень их взаимодействия и степень расщепления энергетических уровней. Поэтому разрешенные зоны становятся шире, а запрещенные – соответственно уже. При изменении межатомных расстояний в зависимости от характера расщепления уровней ширина запрещенной зоны может как увеличиваться, так и уменьшаться (рис. 1.11). Аналогичные изменения ширины зоны происходят под действием давления на кристалл, поскольку при этом изменяются межатомные расстояния. Энергию, необходимую для перевода электрона в свободное состояние или для образования дырки, может дать не только тепловое движение, но и другие источники энергии, например поглощенная материалом энергия света, энергия потока электронов и ядерных частиц, энергия электрических и магнитных полей, механическая энергия т. д. m* n 22 Увеличение же числа свободных электронов или дырок под воздействием какого-либо вида энергии способствует повышению электропроводности, увеличению тока, появлению электродвижущих сил. Электрические свойства определяются условиями взаимодействия и расстояниями между атомами вещества и не являются непременной особенностью данного атома. Как было показано, углерод в виде алмаза является диэлектриком, а в виде графита он обладает большой проводимостью. Примеси и точечные дефекты, нарушающие строгую периодичность структуры, создают особые энергетические уровни, которые располагаются в запрещенной зоне идеального кристалла. Если примесные атомы или дефекты расположены достаточно далеко друг от друга, то взаимодействие между ними отсутствует, а соответствующие им энергетические уровни оказываются дискретными. Поскольку туннельные переходы электронов между удаленными примесными атомами практически невозможны, то дополнительные электронные состояния локализованы в определенном месте решетки, т. е. на дефекте структуры. При достаточно высокой концентрации примесных атомов расстояния между ними сравнимы с размерами атомов, благодаря чему возможно перекрытие электронных оболочек ближайших атомов примеси. В этом случае дискретные энергетические уровни примесей расщепляются в энергетическую зону примесных состояний, способную обеспечить проводимость, если не все уровни в этой зоне заполнены электронами. Таким образом, электрические свойства всех твердых тел определяют теоретически с единой точки зрения – энергия возбуждения носителей заряда или энергия активации электропроводности равна нулю у металлов и непрерывно возрастает в ряду полупроводников, условно переходящих при увеличении этой энергии в ряд диэлектриков; хорошо проводящие металлы и хорошо изолирующие диэлектрики представляют собой крайние члены того непрерывного ряда, в котором можно расположить твердые тела по этому признаку. Подводя итог сказанному, следует подчеркнуть, что зонная теория строго применима к твердым телам с ковалентными и металлическими связями. Разделение твердых тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере условный характер. По мере того как в качестве полупроводников начинают использоваться материалы со все более широкой запрещенной зоной, деление тел на полупроводники и диэлектрики постепенно утрачивает свой изначальный смысл. Вопросы для самопроверки 23 1. Приведите общую классификацию материалов, используемых в электронной технике. 2. Каковы основные виды химической связи в материалах и чем они обусловлены? 3. В чем различия между монокристаллами, поликристаллическими и аморфными веществами? 4. Приведите примеры точечных и протяженных дефектов структуры в реальных кристаллах. 5. Охарактеризуйте явление полиморфизма. Приведите примеры полиморфных веществ. 6. Почему при образовании твердого тела энергетические уровни атомов расщепляются в энергетические зоны? 7. От чего зависит ширина разрешенной зоны и число уровней в ней? 8. Чем различаются зонные структуры проводника, полупроводника и диэлектрика? 9. В чем различие между электронами проводимости и свободными электронами? 24 2. Проводниковые материалы Проводниковые материалы – это материалы, служащие проводниками электрического тока. Их удельное электрическое сопротивление мало, и составляет от 10-8 до 10-4 Ом∙м. Проводники могут быть твердыми веществами: кристаллические металлы и сплавы, углерод – это проводники 1-го рода; жидкими – электролиты – это проводники 2-го рода; газообразными – газоразрядная плазма – проводники 3-го рода. Рассмотрим проводники 1-го рода, которые практически не имеют запрещенной зоны, так как зоны валентная и проводимости у них перекрываются (рис. 21). Металлы обладают металлическим типом химической связи, при которой валентные электроны атомов обобществлены и образуют так называемый «свободный» электронный газ. Атомы, расположенные в узлах (междуузлиях) кристаллической решетки, являются положительно заряженными ионами, так как они отдали свои электроны «в общее пользование». В такой системе имеет место большое количество свободных носителей заряда – электронов. Основные электрические параметры проводников, отражающие их свойства, приводятся в табл. 2.2. Рис. 2.1. Структурная схема проводников 25 2.1. Электропроводность проводниковых материалов В металлических проводниках имеется большое количество свободных носителей заряда – электронов, поэтому их электропроводность велика. Формула электропроводности проводников γ = q∙N∙u, где N – концентрация свободных носителей заряда, м-3; u – подвижность носителей заряда, м2/В∙с; q – величина заряда носителя, Кл. При большом количестве электронов (это ~ 10 28 в одном кубическом метре) их число практически не зависит от содержания примесей или от температуры, но на подвижность примеси оказывает большое влияние, создавая своим присутствием дополнительные препятствия направленному движению электронов в электрическом поле. Повышение температуры также уменьшает электропроводность, так как уменьшается подвижность электронов в результате тепловых колебаний кристаллической решетки и увеличения хаотического движения электронов. Температурный коэффициент ТКR (ТКρ) проводников (чистых металлов) положителен и составляет величину (3∙10 -3...4∙10-3) 1/град. На рис. 2.2. приведены зависимости удельного электрического сопротивления (ρ) и температурного коэффициента сопротивления – ТКρ от процентного содержания никеля (Ni) и меди (Сu) в сплаве Cu-Ni. ρ ТКρ 0 20 40 60 80 100 % Cu 100 80 60 40 20 0 % Ni Рис. 2.2. Зависимость ТКρ и ρ для сплава Ni – Cu Из рис. 2.2. видно, что увеличение в сплаве каждого из компонентов, значительно увеличивает сопротивление сплава по сравнению с исходными металлами: Сu – 0,0175 Ом∙мм2/м. а сплав, содержащий 60 % Сu и 40 % Ni, – 0,58 Ом∙мм2/м имеет сопротивление 26 почти в 30 раз большее. При этом ТКρ этого сплава отрицателен или очень мал: – (5...20)∙10-6 1/град. С увеличением температуры удельное сопротивление обычно растет. При инженерных расчетах пользуются формулой ρt = ρ0∙[1 + αρ∙(t – t0)], (2.1) где ρt – удельное сопротивление при температуре t; ρ0 – удельное сопротивление при комнатной температуре (обычно t = 20 °С); αρ – средний температурный коэффициент удельного сопротивления. Механическая обработка металлов вызывает искажение кристаллической решетки и приводит к увеличению удельного сопротивления. 2.2. Сверхпроводимость проводниковых материалов Многие металлы и сплавы ниже определенной температуры (для каждого материала температура своя) переходят в сверхпроводящее состояние, т. е. их сопротивление постоянному току становится практически равным нулю. Если металл переходит в это состояние скачком – это сверхпроводник 1-го рода, если плавно – сверхпроводник 2-го рода (как правило, это сплав). Температура перехода в сверхпроводящее состояние называется критической (Ткр), выше этой температуры сверхпроводник переходит в обычное проводящее состояние (рис. 2.3). На рисунке показано поведение сверхпроводника 1-го рода – Iр. св. и сверхпроводника 2-го рода IIр. св. в широком диапазоне температур. При температуре плавления Тпл сопротивление резко растет, пока кристалл не перейдет в жидкое состояние. При дальнейшем повышении температуры сопротивление снова плавно возрастает. Очень кратко сверхпроводимость можно объяснить тем, что в металле при определенных условиях образуются пары электронов (куперовские пары), имеющие противоположные импульсы и спины. Такая пара взаимодействует с кристаллической решеткой – один электрон, отдавая ей свой импульс, переводит ее в возбужденное состояние; второй электрон этой пары забирает переданный решетке импульс и тем самым переводит ее в нормальное (первоначальное) состояние. В результате состояние решетки не изменяется, а между электронами, обменявшимися фотонами, возникает сила взаимного притяжения. Таких электронных пар в металле великое множество, но 27 все они движутся согласованно, электронные волны их имеют одинаковые длины и фазы. IIр. св R Iр. св Tпл 0 Tкр Tкр Tпл (Iр. св)(IIр. св) (IIр. св) (Iр. св) T, K Рис. 2.3. Зависимость сверхпроводников Iр и IIр от температуры Отсутствие сопротивления в сверхпроводнике объясняется тем, что движение всех электронных пар в металле можно описать как распространение одной (суммарной) электронной волны, которая не рассеивается кристаллической решеткой потому, что сама решетка участвует в образовании этой волны, т. е. собственные колебания решетки согласованы с электронной волной, имеют те же длины волн и фазы. Ток, возбуждаемый за счет внешнего источника (который затем выключается) в сверхпроводящей цепи, может сохраняться очень длительное время, если в ней поддерживать определенные условия. Кроме нулевого сопротивления сверхпроводники обладают свойствами идеальных диамагнетиков, магнитные силовые линии в них не проникают, выталкиваются. На разрыв электронных пар и переход в нормальное (несверхпроводящее) состояние требуется затрата определенной энергии, например: температуры, превышающей критическую Ткр; магнитного поля, превышающего Нкр (для каждого металла Нкр – свое); электрического тока, величина которого вызывает на поверхности сверхпроводника критическое магнитное поле – Нкр. Если энергия этих воздействий больше сил связи между электронными парами – они разрушаются, а металл теряет свое сверхпроводящее состояние, становясь обычным проводником. Надо заметить, что не все чистые металлы и сплавы переходят в сверхпроводящее состояние. Например, такие хорошие проводники при нормальных условиях как медь и серебро, не переходят в сверхпроводящее состояние даже при температурах близких к абсолютному нулю. 28 В табл. 2.1 приведены некоторые проводниковые материалы, способные становиться сверхпроводниками при низких температурах, и их критические тепловые и критические магнитные поля. Материал Критическая температура Ткр, К Цинк (Zn) Алюминий (Al) Кадмий (Cd) Ртуть (Hg) Свинец (Pb) Ниобат олова (Nb3Sn) 0,88 1,2 0,56 4,15 7,2 18,1 Таблица 2.1 Критическое магнитное поле Нкр, кА/м 4,24 8 2,5 32,8 64,5 19,5∙103 Применение сверхпроводников в мощных магнитах, трансформаторах, генераторах, линиях передач сводит к нулю потери в проводниках и позволяет значительно повышать плотность тока и напряженность магнитного поля. Сейчас ведутся работы по созданию высокотемпературных сверхпроводников. Предполагается, что ими будут керамические материалы. Вопросы для самоконтроля 1. Чем обусловлена высокая проводимость проводников 1-го рода? 2. На какой параметр (в формуле проводимости) оказывают влияние повышение температуры, введение примесей в металл и механическое искажение кристаллической решетки? 3. Что собой представляет температурный коэффициент удельного электрического сопротивления проводников? 4. По какой формуле можно рассчитать сопротивление проводника при температуре выше комнатной, 20 °С? 5. Что собой представляет явление сверхпроводимости? 6. Почему при определенных (низких) температурах в некоторых проводниках сопротивление падает до нуля? 7. Какие факторы могут вывести сверхпроводник из сверхпроводящего состояния? 2.3. Контактная разность потенциалов. Термоэлектродвижущая сила 29 Если два различных металла или сплава приводятся в плотное соприкосновение, между ними может возникать контактная разность потенциалов (КРП). Причина ее появления состоит в неодинаковой величине работы выхода электронов из металлов, а также в различной плотности свободных электронов у разных металлов. Если взять два разных проводника − А и В (рис. 2.4) с работами выхода электронов WвыхА и WвыхВ; плотностью электронов nА и nВ, то при соотношении, например WвыхА < WвыхВ и nА > nВ, электроны из А перейдут в приграничном слое контакта в В (градиент концентрации электронов), нарушится электронейтральность и на границе соприкосновения появится контактная разность потенциалов, направление которой показано стрелкой. Контактная разность потенциалов определяется по формуле: K  Tn A U  U  U   ln AB A B , q n B (2.2) где UA и UB – потенциалы соприкасающихся металлов; n0A и n0B – плотности электронов в А и В, м-3; К – постоянная Больцмана, К = 1,38∙10-23 Вт/град; q – заряд электрона, 1,6∙10-19 А∙с; Т – абсолютная температура, К. Рис. 2.4. Контактная разность потенциалов (WA < WB, nA > nB) Если температура спая (Тг) будет больше температуры (Тх) концов проводников, между которыми включен измерительный прибор, то в замкнутой цепи возникнет термоэлектродвижущая сила, которую можно определить по формуле k n A U  ln  ( T  Т ) Г Х . qn B (2.3) Контактная разность потенциалов и термо-ЭДС должны учитываться при изготовлении точных измерительных приборов; чтобы не вносить погрешности в измерения, надо подбирать такие контактирующие 30 металлы, между которыми возникает как можно меньшие КРП и термоЭДС, например, между медью и манганином возникает термо-ЭДС порядка (2...3) мкВ/град, а между медью и константаном (40...50) мкВ/град. Это явление используется для изготовления термопар – измерителей температуры. Примером пар проводников для изготовления термопар могут служить: медь–константант, хромель–копель, которые используются для измерения температур до 300...500 °С, хромель-алюмель – до 900...1000 °С и др. 2.4. Контакты Рассмотрим явления, которые имеют место при контактировании двух проводников (контактов) и сопровождаются пропусканием тока через контакт. При механическом соприкосновении двух твердых тел не происходит такое их сближение, при котором они образуют единое целое для прохождения тока. Основные причины этому:  поверхности тел имеют шероховатости, превышающие размеры атомов;  многие металлы при воздействии окружающей среды окисляются, образуя на поверхности окисные пленки, являющиеся в большинстве случаев диэлектрическими (CuO, Ag2O, Al2O3 и т. п.);  на поверхности твердых тел адсорбируются молекулы кислорода, воды, газов, пыли, содержащиеся в окружающей среде. Таким образом, контакт между проводниками первого рода осуществляется в результате сложных процессов, которые можно представить с помощью модели (по Хольму), на рис. 2.5. 31 Рис. 2.5. Модель контактирования двух проводников Для твердых материалов касание их поверхностей происходит не по всей площадке (А), а в нескольких малых площадках, часть которых представляет чистый металл (1), а часть окисленный (3). В ряде мест контакт отсутствует [2, 4] в результате наличия воздушных зазоров. Если вся поверхность контакта материалов (А), контактные площадки (Аb), а площадь чисто металлических контактов «а», то соотношения между ними: а < Аb << А. Прохождение тока через такой контакт сопровождается явлениями, которые необходимо учитывать при выборе проводников контактной пары, при расчете площади контактов и выборе изоляционных материалов, примыкающих к ним. Рассмотрим некоторые из этих явлений:  так как площадь электрического контакта (а) меньше, чем расчетная (А), то в месте контакта происходит выделение значительной тепловой энергии – контакт нагревается за счет локальных перегревов;  при замыкании и размыкании происходит механический износ поверхностей контактной пары (выкрашивание из-за трения и усталости материала);  при размыкании контактов под действием значительных токов (в сильноточной аппаратуре), когда возникает дуга, может происходить перенос одного металла на поверхность другого (дуговая эрозия), их сплавление;  в области контактных (чистый металл) площадок линии электрического тока значительно искривляются (эффект стягивания) (рис. 2.6). Внутри области стягивания имеет место большой градиент потенциала, а за ее пределами – очень малый. Градиент потенциала 32 приводит к дрейфу носителей заряда по границе раздела контактов. При протекании тока через контакт 1 (рис. 2.5), в месте электрического соединения происходит выделение тепловой энергии и перегрев контакта (ΔТк) по сравнению с остальным телом металла и окружающей средой: 2 I2R  Tk  , 8 t (2.4) где ρ – удельное сопротивление контактного материала; λt – его теплопроводность; R – сопротивление контакта; I – протекающий ток через контакт. Рис. 2.6. Эффект стягивания Наличие градиента температур может привести к диффузии носителей заряда от нагретого контакта к более холодной периферии материала и (или) диффузии атомов металла. Контактное сопротивление (R) принимается как сопротивление стягивания (следствие стягивания линий токов к проводящей площадке) и сопротивление пленок на площадках касания (Rf): R = Rc1 + Rc2 + Rf , (2.5) где Rc1, Rc2 – сопротивления стягивания первого и второго контактов; Rf – сопротивление пленки. Большой процент выхода электрической аппаратуры из строя происходит за счет процессов, происходящих на контактах. Поэтому при выборе материалов для контактных пар нужно учитывать: условия их эксплуатации, окружающую среду; взаимодействие материалов друг с другом (термо-ЭДС , взаимная диффузия), твердость, окисляемость и т. д. Наиболее ответственными контактами, применяемыми в радиоэлектронике, являются разрывные и скользящие. При этом материалы должны обеспечивать их высокую надежность: исключение 33 возможности обгорания контактирующих поверхностей, приваривания друг к другу, сильного окисления и др. В качестве контактирующих материалов при разрывных контактах применяют чистые тугоплавкие металлы, различные сплавы и металлокерамические композиции, например: Cu-W; Ag-CdO; Ag-Co,Ni,Cr,W,Mo,To; Cu-C; Cu-W,Mo; Au-W,Mo и др. Вопросы для самоконтроля 1. Какие явления наблюдаются при контактировании двух разных металлов? 2. Что собой представляет термо-ЭДС в контактной паре проводников? 3. Какие явления наблюдаются в электрическом контакте проводников? 4. Чем сопровождается явление стягивания токовых потоков в месте контактирования проводников? 5. Из каких сопротивлений складывается полное сопротивление контактной пары? 2.5. Классификация проводниковых материалов Обычно проводники классифицируют по их удельному сопротивлению, температуре плавления, твердости и другим факторам. К первой классификационной группе относят материалы высокой проводимости. Обычно это чистые материалы: медь, серебро, алюминий, никель, и др. Ко второй группе относят материалы высокого сопротивления. Это, как правило, сплавы: константан, манганин, нихром и др. К третьей группе относят материалы, способные переходить при определенных критических температурах в сверхпроводящее состояние – сверхпроводники 1 и 2-го рода: кадмий, цинк, тантал, свинец, сплав Nb3Sn и др. В четвертую группу включим различные материалы, используемые в качестве термопар: медь-константан; медь-копель; хромель-копель; хромель-алюмель; платина-платинородий. К пятой группе относят материалы, используемые в качестве контактных для сильноточной аппаратуры, слаботочной 34 аппаратуры, размыкаемых высоковольтной к низковольтной аппаратуры, скользящих: серебро, медь, золото, вольфрам, графит, композиции: Cu-W, Cu-графит, Ag-W и др. Ниже приводится справочная табл. 2.2 некоторых проводниковых материалов, используемых в радиоэлектронике. Таблица 2.2 Металл проводника Химический индекс 1 2 Удельн. элект. сопротивление ρ, мкОм∙м или Ом∙мм2/м 3 Серебро Медь Золото Алюминий Индий Олово Свинец Никель Железо Титан Платина Молибден Тантал Вольфрам Графит поликристалл Графит Ag Cu Au Al In Sn Pb Ni Fe Ti Pt Mo Ta W 0,016 0,0172 0,024 0,028 0,09 0,12 0,21 0,073 0,098 0,42 0,105 0,057 0,135 0,055 C 8 C 10…50 Cu – 86% 0,42…0,48 Mn - 12% Cu – 60% Константан 0,48…0,52 Ni – 40% Манганин Темпер. ТермоРабота коэфф. Коэфф. ЭДС Темпевыхода удельного теплопро- относиратура электрона сопротив- водности тельно плавлеиз ления λ, меди, ния, металла, ТКρ, Вт/м∙град мкВ/град Тпл, °С Wвых, эВ 1/град 4 5 Чистые металлы 4∙10-3 425 4,3∙10-3 390 -3 3,8∙10 293 4,2∙10-3 209 -3 4,7∙10 25 -3 4,4∙10 65 3,7∙10-3 35 -3 6,5∙10 95 6∙10-3 73 -3 4,4∙10 15 3,9∙10-3 71 -3 4,6∙10 151 -3 3,8∙10 54 -3 4,6∙10 168 -1∙10-3 — -2∙10-4 Сплавы — 6 7 8 4,4 4,3 4,8 4,3 — 4,4 3,7 5 4,5 4,1 5,3 4,2 4,1 4,5 961 1083 1063 657 156 232 327 1455 1535 1680 1773 2620 2970 3380 (5…30)∙10-6 1…2 940 (5…20)∙10-6 40…50 1270 35 Ni – 60% Cr – 15% Cr – 15% Al – 5% остальн. Fe Cr – 23% Al – 5% остальн. Fe Нихром Фехраль Хромаль Нейзильбер 1…1,2 1,7∙10-4 1360 1,3 1,2∙10-4 1450 1,5 6,5∙10-5 0,35 3∙10-6 Термопары Медь-константан Хромель-алюмель Платина-платинородий 1050 Тизм до 350 °С Тизм до 1000 °С Тизм до 1600 °С 36 3. Полупроводниковые материалы Полупроводниковые материалы – это материалы, имеющие запрещенную зону. На их основе изготавливаются датчики различных видов энергий, выпрямители, триоды, тиристоры, интегральные микросхемы и множество других приборов и элементов. Используются они, в основном, в твердом агрегатном состоянии, хотя имеются и жидкие полупроводники, например: Bi2S, Cu2S. Ширина запрещенной зоны полупроводников имеет большой диапазон – от сотых долей электрон-вольта до 3 эВ. Удельные электрические сопротивления занимают более десяти порядков (10 -4...108 Ом∙м). Полупроводники относятся к неметаллам, а по химическому составу могут быть неорганическими – кремний, арсенид галлия, карбид кремния и органическими – антрацен, нафталин, фталоцианин меди и др. 3.1. Особенности полупроводников К особенностям полупроводников относят: 1. Электрические параметры очень чувствительны к содержанию примесей (0,000001 % примеси может изменить величину электропроводности на один или два порядка). 2. Внешние воздействия (тепло, свет, давление, трение и др.) могут сильно изменять свойства материала. Поэтому полупроводники используются для изготовления датчиков всевозможных видов энергии: терморезисторы, фоторезисторы, тензорезисторы и др. 3. Полупроводники, в зависимости от определенных вводимых примесей, могут обладать электронной (n - типа) или дырочной (р - типа) электропроводностью. Это позволяет создавать электроннодырочный переход (р - n переход), который обладает униполярной проводимостью и позволяет создавать выпрямители, усилители и другие активные элементы и приборы. Некоторые параметры и свойства полупроводников представлены на рис. 3.1. 37 Рис. 3.1. Свойства полупроводниковых материалов 38 3.2. Электропроводность полупроводников Различают собственную (γi) электропроводность, когда полупроводник не имеет примесей (рис. 3.2,а), примесную (γn) n - типа, когда в него введена донорная примесь (рис. 3.2,б); примесную (γp) р т ипа, когда в полупроводник введена акцепторная примесь (рис. 3.2,в). Электропроводность любого материала определяется формулой γ = q∙N∙u, (3.1) где N – количество носителей заряда; u – подвижность носителей заряда; q – заряд электрона. На рис. 3.2 приведены энергетические диаграммы собственного полупроводника (а), полупроводника с донорной примесью (б) и с акцепторной примесью (в). а б в Рис. 3.2. Энергетические диаграммы полупроводниковых материалов 3.2.1. Собственная проводимость Собственная проводимость (γi) – осуществляется двумя типами носителей – электронами (n), которые переходят из валентной заполненной зоны в зону проводимости (рис. 3.2), оставляя свободное место (дырку) в валентной зоне, и дырками (р), которые, заполняясь ниже лежащими электронами валентной зоны, перемещаются в ней. Таким образом, в переносе зарядов участвуют и электроны и дырки, причем в равных количествах. Подвижность электронов (un) больше, чем подвижность дырок (up), так как электроны непосредственно переносят заряд, а дырки такой же заряд передают эстафетно, двигаясь в противоположную сторону движения электронов. Формула для собственной электропроводности γi полупроводников имеет вид γi = q∙n∙un + q∙p∙up. 39 (3.2) Электропроводность γi состоит из двух составляющих: электронной и дырочной, т. к. количество n = р, а un > up, собственная проводимость γi имеет преобладание электронной составляющей и носит электронный характер. Перепишем формулу γi = q∙ni∙(un + up), (3.3) где ni – концентрация собственных носителей заряда. 3.2.2. Примесная проводимость n - типа Примесная проводимость n - типа (γn) – возникает в полупроводнике, если в него ввести примесь, валентность которой больше, чем валентность полупроводника. Например, для четырехвалентного кремния – Si донорной примесью является пятивалентный мышьяк – As. Доноры располагаются в запрещенной зоне ближе к зоне проводимости. Для того, чтобы атом донора отдал свой электрон в зону проводимости, требуется очень малая энергия – Wпр Д (рис. 3.2,б). Например, ширина запрещенной зоны кремния – 1,12 эВ, а энергия активации донорной примеси (As) равна всего 0,025 эВ. Атом мышьяка, отдавший свой электрон в зону проводимости, превращается в положительно заряженный ион, который хотя и имеет заряд, но закреплен в кристаллической решетке и в электропроводности не участвует. Перенос зарядов происходит только за счет электронов γn = q∙n∙un. (3.4) Поэтому характер проводимости электронный, n - типа. 3.2.3. Примесная проводимость р - типа (γр) Примесная проводимость р - типа (γр) – возникает в полупроводнике, если в него ввести примесь, валентность которой меньше валентности основного полупроводника. Например, если в кремний ввести трехвалентный алюминий (Al), он является акцепторной примесью для Si. Акцепторы располагаются в запрещенной зоне ближе к зоне валентной. Их энергия активации также значительно меньше запрещенной зоны кремния (рис. 3.2,в), Wпр А ≈ 0,027 эВ. При такой энергии, полученной извне, акцептор захватывает электрон из валентной зоны, превращаясь при этом в отрицательно заряженный ион, а в валентной зоне начинается эстафетное перемещение электронов, т. е. будет иметь место дырочная проводимость 40 γр = q∙n∙uр. (3.5) Донор – дающий, акцептор – принимающий 3.2.4. Воздействие теплового поля на электропроводность С увеличением температуры электропроводность полупроводников увеличивается экспоненциально. Такой характер поведения обусловлен носителями заряда. В общем случае подвижность носителей с увеличением температуры сначала изменяется пропорционально температуре в степени + 3/2 (Т+3/2), т. е. возрастает. Это происходит за счет небольшого увеличения средней длины пробега и увеличения скорости носителей заряда. При более высокой температуре увеличиваются хаотические тепловые колебания носителей заряда и атомов, поэтому подвижность начинает уменьшаться, но уже пропорционально температуре в степени – 3/2, т. е. ~ Т– 3/2. Из рис. 3.3 видно, как влияет каждый из компонентов формулы γ = q∙N∙u на поведение электропроводности полупроводника при увеличении температуры. Рис. 3.3. Температурная зависимость электропроводности Запишем формулу, отражающую носителей заряда от температуры зависимость W  t 2 KT N N t 0e , концентрации (3.6) где Nt – количество носителей заряда при данной температуре Т, м-3; 41 N0 – количество носителей при нормальных условиях (Ткомн.), м-3; Wt – термическая энергия активации носителей, Вт; для примесных полупроводников Wt = Wпр, для собственных – Wt = WД, WД – запрещенная зона; К – постоянная Больцмана (К = 1,38∙10-23 Вт/град); Т – абсолютная температура. Подвижность носителей изменяется пропорционально температуре ut T3/ 2, (3.7) где ut – подвижность носителей заряда при температуре Т, м2/В∙с. Видим, что основное влияние на поведение электропроводности с изменением температуры оказывает концентрация носителей заряда. Таким образом, электропроводность полупроводника от температуры изменяется экспоненциально W  t 2 Ae KT , (3.8) t где А – постоянная, представляющая собой электропроводность полупроводника при экстремальных условиях; это электропроводность, например, при Т = 0 К. Так как подвижность носителей заряда изменяется с температурой незначительно, то определяет характер поведения электропроводности γ, в основном, концентрация носителей заряда N. На участке 1 (рис. 3.3) наблюдается рост примесных носителей заряда, их подвижности и примесной проводимости γпр; на участка 2 показано истощение примесных носителей заряда (они уже все активизированы и число не растет с ростом Т), а подвижность (U) – несколько падает. На участке 3 уже наблюдается увеличение собственных носителей заряда, способных переходить в зону проводимости из валентной зоны. На фоне быстрого роста числа носителей подвижность почти не оказывает влияния на изменение электропроводности. Для удобства изображения зависимости γt и Nt даны в полулогарифмическом натуральном масштабе, а Т – в обычном. Поэтому вместо экспонент, получаем зависимости в виде прямых линий (или кривых). Таким образом, тепловая энергия способствует переходу носителей в зону проводимости (или на примесные уровни для р-типа) и электропроводность полупроводника увеличивается экспоненциально. 42 Температурный коэффициент сопротивления полупроводников ТКR – отрицательный, т. к. сопротивление их, как правило, с увеличением температуры уменьшается  R 1R TKR   2 1 , R  T 1T 2 1 (3.9) где R1 – сопротивление полупроводника при начальной температуре Т1; R2 – сопротивление при более высокой температуре Т2. 3.3. Термоэлектрические свойства Термоэлектрические свойства полупроводников рассмотрим на примере терморезисторов и термоэлементов. 3.3.1. Терморезисторы Чувствительность некоторых полупроводников к тепловому полю очень велика, например, таких как оксиды СuO, NiO, МnО, их смеси. Она может составлять (3...7) % на 1 градус температуры. Эта особенность используется для изготовления терморезисторов – сопротивлений, величина которых сильно изменяется от температуры. Подбирая разный состав полупроводника, можно получить требуемый ТКR. Вольтамперная характеристика терморезистора имеет вид, показанный на рис. 3.4. На участке 2, когда теплота Джоуля-Ленца, выделяемая в сопротивлении, превышает теплоотдачу в окружающую среду, термосопротивление нагревается, его сопротивление уменьшается (по экспоненте), а ток возрастает. Терморезисторы изготавливают в виде стерженьков, таблеток, бусинок путем прессования окислов. Масса их, как правило, мала, чтобы терморезистор обладал меньшей инерционностью при реакции на тепло. Используются они как датчики температуры в различных схемах автоматики, измерительных приборах в целях температурной компенсации, непосредственно для измерения температуры. 43 I 2 1 U Рис. 3.4. Вольтамперная характеристика терморезистора 3.3.2. Термоэлементы Термоэлементы – это устройства, с помощью которых можно преобразовывать энергию электрического поля в тепловую энергию, и наоборот – тепловую в электрическую. Эти преобразования основаны на эффектах Зеебека и Пельтье. Рассмотрим причины, которые могут способствовать направленному движению микрочастиц, носителей заряда и др. Направленное движение заряженных частиц вызывают: 1) градиент электрического поля; 2) градиент теплового поля; 3) градиент концентрации частиц и другие факторы. (Движение частиц направлено от большего градиента к меньшему). Если в полупроводнике образуются электронно-дырочные пары, т. е. если валентный электрон из своей зоны переходит в зону проводимости, образуя в валентной зоне дырку, способную в ней перемещаться, а в зоне проводимости перемещается сам электрон, то на этот процесс затрачивается энергия, при этом генерируется (возникает) электронно-дырочная пара. Если же электрон из зоны проводимости переходит на нижнюю валентную зону и заполняет там дырку, этот процесс идет с выделением энергии и называют его рекомбинацией электронно-дырочной пары (исчезновение носителя заряда – электрона и исчезновение носителя заряда – дырки). Полупроводниковый термоэлемент представляет собой два разнотипных полупроводника, концы которых с одной стороны соединены проводящей пластиной (например, Сu), а вторые концы разомкнуты и к ним можно присоединять измерительный прибор (например, гальванометр) или источник постоянного напряжения (рис. 3.5.). 44 Если к р-столбику полупроводника приложите минус (–) источника питания, а к n-столбику плюс (+), то положительные носители заряда будут двигаться вниз к минусу; отрицательные заряды – к плюсу, тоже вниз. При этом возникает эффект Пельтье, т. е. один из спаев (верхний) будет охлаждаться, а второй спай (нижний) нагреваться. Рис. 3.5. Эффект Пельтье (а) и Зеебека (б) Действительно, это будет иметь место и вот почему: через элемент будет протекать ток; носители заряда, которые идут вниз, в нижнем спае встречаясь, будут рекомбинировать, исчезать как носители заряда. Но ток протекает через элемент непрерывно, значит в верхнем спае должно возникать (генерироваться) столько же пар, сколько их рекомбинировало в нижнем спае. При генерации идет затрата энергии – значит, верхний спай будет охлаждаться; при рекомбинации идет выделение энергии – значит, нижний спай будет нагреваться. Нагрев одного спая и охлаждение другого можно подсчитать по формуле Пельтье: QП = П∙I∙τ, (3.10) где QП – теплота Пельтье, которая на одном спае выделяется (нагрев), а на другом поглощается (охлаждение), Дж; I – протекающий ток, А; τ – время протекания тока, с. В материале, по которому протекает ток, выделяется теплота Джоуля-Ленца, причем независимо от того или другого спая. Она определяется формулой QД-Л = 0,24∙I2∙R∙τ, (3.11) где QД-Л – теплота Джоуля-Ленца, Дж; R – сопротивление материала, Ом. Как видим и QП и QД-Л зависят от величины протекающего тока. 45 Эффект Зеебека показан на рис. 3.5,б. Если один из спаев термоэлемента, например верхний (1), нагреть, а спай (2) охладить, то на разорванном нижнем спае появится постоянная разность потенциалов. Это произойдет в результате того, что носители заряда при наличии градиента температуры спаев будут двигаться направленно (от нагретого спая к холодному). На нижних концах столбиков термоэлемента скопятся носители заряда: на р-дырки (положительные), на n-электроны (отрицательные). Скопление противоположных носителей заряда создает электрическое поле. Напряжение на таком термоэлементе определяется формулой Зеебека U = A∙(Тнагр. – Тохл.), (3.12) где U – напряжение; А – коэффициент термо-ЭДС для данных пар полупроводниковых столбиков; Тнагр. – температура нагретого спая; Тохл. – температура охлаждаемого спая. В термоэлектрических явлениях взаимодействуют электрические и тепловые поля. К материалам для изготовления, например столбиков термоэлементов, предъявляются требования – иметь высокую электропроводность, т. к. эффекты зависят от величины тока, протекающего в них, но в то же время материал не должен обладать высокой теплопроводностью, чтобы тепло от нагретого спая не ухудшало эффекта охлаждения другого спая. Эти требования противоречивые, но им удовлетворяют сложные соединения типа Bi2Te3∙Sb2Se3 и подобные им. Вопросы для самоконтроля 1. Каков характер изменения электропроводности полупроводников с увеличением температуры? 2. Нарисуйте энергетическую диаграмму полупроводника с акцепторной примесью. 3. Что происходит на спае двух разнородных полупроводников термоэлемента, если на этом спае идет рекомбинация? 4. Нарисуйте вольтамперную характеристику терморезистора. 5. Как ведет себя теплота Пельтье и теплота Джоуля-Ленца на охлаждаемом спае термоэлемента от изменения тока? 3.4. Электронно-дырочный (или p-n) переход 46 В каждом примесном полупроводнике есть два вида носителей: основные и неосновные, причем основных намного больше, чем неосновных. Обычно основные носители обозначаются: nn и pp, а неосновные имеют противоположный индекс основному обозначению, т. е. np и pn. nn >> pn и pp >> np. Если привести в соприкосновение (на расстояние порядка атомных) два полупроводника с разным типом проводимости, то в результате градиента концентрации на границе их начнется направленное движение основных носителей заряда (рис. 3.6,а). Плотность тока диффузии при этом IД = q∙D∙  N, (3.13) где D – коэффициент диффузии;  N – градиент концентрации носителей заряда; q – заряд электрона. Электроны, которых много в n-области, будут переходить в робласть. Как только приграничный слой электронов перейдет в соседнюю область, нарушится электронейтральность n- и р- областей у границы. Электронная область зарядится положительно, а дырочная – отрицательно. Между ними появится электрическое приграничное диффузионное поле ЕД, направленное от (+) к (–) (рис. 3.6,а). Это поле создает потенциальный барьер для дальнейшего перехода электронов в р-область, а дырок в n-область. При этом возникает область пространственного заряда (Δ), лишенная носителей, т. к. электроны присоединяются к акцепторам, образуя отрицательные ионы, а доноры, лишенные электронов, превращаются в положительные ионы. И те и другие закреплены в кристаллической решетке, поэтому свободные носители отсутствуют. Область пространственного заряда невелика, всего несколько микрон, но сопротивление её очень большое (т. к. нет свободных носителей, способных переносить заряд), порядка 104...105 Ом. Р-n переход обладает униполярной проводимостью. Если приложить внешнее электрическое поле так, что у р-области будет знак (–), а у n-области знак (+), то такое поле по направлению совпадет с полем на границе р-n перехода, значит создаваемый им барьер для основных носителей заряда будет увеличиваться, а область объемного заряда расширяться (рис. 3.6,б). Через р-n переход смогут переходить только неосновные носители заряда т.к. потенциальный барьер для них отсутствует и даже наоборот, способствует их прохождению. При такой 47 полярности через р-n переход будет проходить ток, обусловленный неосновными носителями заряда, а их очень мало. Сопротивление р-n перехода при этом велико, а ток очень мал – это показано на вольтамперной характеристике (левая нижняя сторона – третий квадрант) (рис. 3.7). Если полярность внешнего поля изменить (рис. 3.6, в), приложить (+) к р-области, а (–) к n-области, то внешнее поле будет направлено встречно с направлением потенциального барьера ЕД; он будет уничтожаться и через р-n переход будет протекать большой ток, обусловленный основными носителями заряда обеих областей. Область объемного заряда заполнится свободными носителями, сопротивление р-n перехода будет мало (рис. 3.7) – правая верхняя ветвь вольтамперной характеристики р-n перехода (первый квадрант). Рис. 3.6. р-n переход 48 I1 U1 U2 I2 Рис. 3.7. Вольтамперная характеристика p-n перехода Электронно-дырочные (р-n) переходы используются для изготовления множества активных приборов и устройств: диодов, триодов тиристоров, фотоэлементов и др. Для изготовления р-n переходов используют обычно монокристаллические материалы атомарных (элементарных) полупроводников – кремний, германий, селен, а также полупроводниковых соединений – арсенид галлия, фосфид галлия и др. Чем шире запрещенная зона полупроводника, тем до более высоких температур может работать прибор, изготовленный на его основе. Тем более высокой является предельная рабочая температура прибора, изготовленного на его основе. Вопросы для самоконтроля 1. В каких приборах и для каких целей используется р-n переход? 2. Как направлено диффузионное поле на границе р и n областей р-n перехода? 3. Нарисуйте вольтамперную характеристику р-n перехода. 3.5. Фотоэлектрические свойства полупроводников Физический процесс внутреннего освобождения электронов фотонами, т. е. квантами электромагнитного излучения, называется внутренним фотоэффектом, а добавочная электропроводность, обусловленная этим процессом, называется фотопроводностью. На энергетической диаграмме полупроводника (рис. 3.2,б) с донорной примесью Wпр – энергия активации примеси, а Wg – ширина запрещенной зоны полупроводника. Чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону примесную, или из примесной в зону проводимости, нужно затратить энергию. Энергия фотона 49 c W  h  h  , Ô где  -34 h = 6,6∙10 – постоянная Планка, Дж∙с; ν – частота электромагнитного излучения, 1/с; с = 3∙108 – скорость света в вакууме, м/с;  (3.14) c – длина волны электромагнитного излучения, м. Фотоэлектрические свойства полупроводников рассмотрим на примере фоторезисторов и фотоэлементов.  3.5.1. Фоторезистивный эффект Если энергия фотона WФ, попадающего на поверхность полупроводника, больше энергии примеси WФ  Wпр – возникает примесная фотопроводимость; если WФ больше ширины запрещенной зоны полупроводника WФ > Wg – возникает собственная фотопроводимость; если полупроводник не подвергается облучению – он обладает темновой электропроводимостью – γт. Каждый фотон, воздействующий на полупроводник, при условии WФ  Wg, способен перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости и создать пару носителей – электрон и дырку. Когда электронно-дырочных пар становится много, увеличивается вероятность их рекомбинации, т. е. возвращение электрона на свое место в валентную зону. Поэтому при увеличении интенсивности светового потока FФ рост фотопроводимости будет замедляться, как показано на рис. 3.8 На рис. 3.9 приведены спектральные характеристики фотосопротивлений – зависимость чувствительности полупроводника – в процентах, от длины волны – λ падающего на него лучистого потока. Видим, что максимальная чувствительность наблюдается в сравнительно узком диапазоне длин волн излучения, например для ФС1 и для ФС2. γф γт Еф Рис. 3.8. Интегральная характеристика фотосопротивления 50 Рис. 3.9. Сравнительные характеристики фотосопротивления Объяснить сравнительную характеристику можно следующим образом: а) при больших длинах волн энергии фотона недостаточно для перевода электрона в зону проводимости – чувствительность мала; б) по мере уменьшения λ энергия фотона растет и увеличивается чувствительность; в) когда частота излучения совпадает с собственной частотой материала полупроводника, наступает явление резонанса, чувствительность довольно интенсивно возрастает; г) с дальнейшим ростом частоты излучения чувствительность начинает падать, так как увеличивается коэффициент поглощения k излучения в поверхностном слое; увеличивается рекомбинация на поверхности и чувствительность становится низкой (рис. 3.9). Каждый материал имеет свой спектр поглощения и свой спектр излучения, а также свою собственную частоту колебаний. Для каждого вещества известны эти частотные спектры, они сведены в таблицы – полосы. По спектральной характеристике можно определить исследуемый материал, а по всплескам (пикам) на основной спектральной характеристике можно определить, какие примеси содержит данное вещество в своем составе (спектральный анализ). На описанных фотосвойствах полупроводниковых материалов основана работа полупроводниковых фоторезисторов, фотоэлементов и др. приборов. Чувствительность их может лежать в ультрафиолетовой области спектра (частота до 3,5∙1014 с-1), видимой части (частота от 4∙1014 до 8∙1011 с-1), инфракрасной части ( от 8∙1011 с-1). 3.5.2. Фотоэлектрический эффект 51 Фотоэлектрический эффект наблюдается в фотоэлементах, которые служат для преобразования световой (лучистой) энергии в электрическую (в солнечных батареях, вентильных элементах). В основе устройства ФЭ лежит р-n переход (рис. 3.10). Рис. 3.10. Устройство ФЭ Когда лучистый поток падает на прозрачную для него верхнюю часть фотоэлемента, и если энергия фотонов WФ  Wg полупроводника, то в верхней части будут образовываться электроны и дырки. Они диффундируют вглубь полупроводника, подходят к р-n переходу и здесь происходит их разделение. Неосновные носители заряда (для верхней области) втягиваются в нижнюю часть полупроводника, свободно проходя через потенциальный барьер, а основные носители заряда не проходят и скапливаются в верхней части. Таким образом, вверху скапливается один тип носителей, внизу – противоположный тип. Любое скопление противоположных носителей заряда создает электрическое поле. Это и будет фотоэлектродвижущая сила, которая используется как источник электрической энергии. На этом принципе работают солнечные батареи, вентильные элементы – возобновляемые источники энергии. Для изготовления фоторезисторов используются различные полупроводниковые соединения, типа PbS, CdS и др. Для изготовления фотоэлементов, преобразующих солнечную энергию в электрическую, обычно используются полупроводники, имеющие ширину запрещенной зоны: 1 эВ < Wg < 3 эВ; это Si, Se, GaAs и др. Вопросы для самоконтроля 1. Что собой представляет фотоэффект? 52 2. При каких значениях энергии фотона возникает фотопроводимость? 3. Поясните спектральную характеристику полупроводника. 4. Как можно преобразовать световую энергию в электрическую? 5. Поясните интегральную характеристику фоторезистора. 3.6. Классификация полупроводниковых материалов Приведем классификацию полупроводников по химическому составу и структуре материалов. 1. Элементарные атомарные кристаллические материалы: кремний (Si), германий (Ge), селен (Se), фосфор (P), теллур (Те). 2. Полупроводниковые кристаллические (алмазоподобные) соединения, типа: А1В7 – CuCl, AgCl и др. А2В6 – PbS. CdS… А3В5 – GaAs, InSb… А4В4 – SiC, GeSi… 3. Молекулярные неорганические полупроводники: Те2, Se2… 4. Оксиды, теллуриды, фосфиды, селениды, карбиды – NiO, MgO, CuO, SiC, PbS и др. 5. Стеклообразные полупроводники: халькогенидные стекла – As2Te2Se, As2Se3∙Al2Se3. 6. Органические полупроводники: а) ароматические углеводороды – антрацен, нафталин и др.; б) красители и пигменты – краска индиго, хлорофилл и др.; в) комплексы с переносом зарядов (донорно-акцепторные системы): бром-антрацен, иод-пирен. Ниже приведена таблица 3.1 некоторых групп полупроводниковых материалов. В таблицу помещены основные параметры конкретных полупроводников. Таблица 3.1 Полупроводниковые материалы № п/ п Наименование полупроводникового материала 1 2 Подвижность носителей Концензаряда Ширина трация Химим2 запрещ. собственных ческий зоны носителей U, В  с индекс Wg, эВ заряда ni, м-3 электронов дырок Un Up 3 4 5 Неорганические 53 6 7 Темпе ратура плавл е-ния, °С Удельное электрич. сопротивление ρ, Ом∙м 8 9 Кристаллические элементарные (атомарные) 1 Германий Ge 0,72 2,5∙1019 0,39 0,19 936 − 0,5 2 Кремний Si 1,12 6,8∙1016 0,14 0,05 1417 −2∙103 3 Селен Se 1,7 1010 — 2∙10-3 220 Кристаллические соединения 4 Карбид кремния SiC 2,8 10 0,1 2200 0,005 возгон ка 5 Сурьмянистый индий InSb 0,18 1022 7,8 0,08 525 6 Арсенид галлия GaAs 1,4 1012 0,85 0,04 1240 7 Фосфид галлия GaP 2,25 — 0,011 8 Арсенид индия InAs 0,36 — 4 0,06 9 Теллурид висмута Bi2Te3 0,16 — 0,057 0,04 10 Сульфид свинца PbS 0,4 — 0,04 — 1114 0,015 — — 108 1010 0,0075 1500 940 570 Стеклообразные 11 Халькогениды As2Te2Se, As2Se3∙Al2Se3 1,7∙1021 Органические 12 Антрацен — 1,6 — — — — 1012 13 Нафталин — 1,4 — — — — 1014 Окончание табл. 3.1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 14 Красители и пигменты Фталоцианин меди — 1,7 — — — — 1011 15 Молекулярные комплексы Иод-пирен — 0,14 — — — — 1,3 16 Полимеры Полиакрилонитрил — 0,75 — — — — 140 54 4. Магнитные материалы Все вещества в природе взаимодействуют с внешним магнитным полем, но каждое вещество по-разному. Магнитные свойства веществ зависят от магнитных свойств элементарных частиц, структуры атомов и молекул, а также их групп, но основное определяющее влияние оказывают электроны, их магнитные моменты. Все вещества, по отношению к магнитному полю, поведению в нем, разделяются на следующие группы: Диамагнетики – материалы, не имеющие постоянного магнитного дипольного момента, обладающие относительной магнитной проницаемостью чуть меньше единицы (μ≤1). Относительная диэлектрическая проницаемость μ диамагнетиков почти не зависит от величины магнитного поля (Н) и не зависит от температуры. К ним относятся: инертные газы (Nе, Аr, Кr, Хе), водород (H2); медь (Сu), цинк (Zn), серебро (Аg), золото (Au), сурьма (Sb) и др. Парамагнетики – материалы, имеющие постоянные дипольные моменты, но расположены они беспорядочно, поэтому взаимодействие между ними очень слабое. Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков чуть больше единицы (μ≥1), слабо зависит от напряженности магнитного поля и температуры. К парамагнетикам относятся следующие материалы: кислород (О2), алюминий (Al), платина (Рt), щелочные металлы, соли железа, никеля, кобальта и др. Ферромагнетики – материалы, имеющие постоянные магнитные дипольные моменты, доменную структуру. В каждом домене они параллельны друг другу и одинаково направлены, поэтому взаимодействие между ними очень сильное. Относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков велика (μ >> 1), у некоторых сплавов доходит до 1 500 000, зависит от напряженности магнитного поля и температуры. К ним относятся: железо (Fe), никель (Ni), кобальт (Со), многие сплавы, редкоземельные элементы: самарий (Sm), гадолиний (Gd) и др. Антиферромагнетики – материалы, имеющие постоянные дипольные магнитные моменты, которые расположены антипараллельно друг другу. Относительная магнитная проницаемость их чуть больше единицы (μ ≥ 1), очень слабо зависит от напряженности магнитного поля 55 и температуры. К ним относятся: окиси кобальта (CoO), марганца (MnO), фтористый никель (NiF2) и др. Ферримагнетики – материалы, обладающие антипараллельными постоянными дипольными магнитными моментами, которые не полностью компенсируют друг друга. Чем меньше такая компенсация, тем выше их ферромагнитные свойства. Относительная магнитная проницаемость ферримагнетиков может быть близка к единице (при почти полной компенсации моментов), а может доходить до десятков тысяч (при малой компенсации). К ферримагнетикам относятся ферриты, их можно назвать оксиферрами, так как они представляют собой, окислы двухвалентных металлов с Fe2O3. Общая формула феррита [MeO Fe2O3], где Ме – двухвалентный металл. Магнитная проницаемость ферритов зависит от температуры и напряженности магнитного поля, но в меньшей степени, чем у ферромагнетиков. Ферриты представляют собой керамические ферромагнитные материалы с малой электропроводностью, вследствие чего могут быть отнесены к электронным полупроводникам с высокой магнитной (μ ≈ 104) и высокой диэлектрической (ε ≈ 103) проницаемостями. Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, а ферро- и ферримагнетики – в группу сильномагнитных веществ. Для технического применения в области радиоэлектроники наибольший интерес представляют сильномагнитные вещества (рис. 4.1). Доменная Нелинейность Точка структыра кюри Петля характеристик гистерезиса Индукция, Коэрцитивная Магнитная В проницаемость, сила, НаНа гистерезис, На Нс вихревые магнитную μРг токи,вязкость, Рв.т. Рп.с. Не скомпенсированный магнитный момент Магнитные материалы (ферромагнетики) – материалы, обладающие доменной структурой, высокой магнитной проницаемостью, петлей гистерезиса и нелинейностью в магнитном поле Основные особенности, характеристики, явления Природа ферромагнетизма Намагничивание, J 56 Потери, Р Энергия в зазоре магнита, W3 Рис. 4.1. Структурная схема магнитных материалов 4.1. Природа ферромагнетизма Магнитные свойства материалов определяются внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Круговой ток характеризуется магнитным моментом и может быть заменен эквивалентным магнитным диполем. Магнитные диполи образуются, в основном, спиновым вращением электронов, орбитальное же вращение электронов принимает в этом процессе слабое участие, так же как и ядерное вращение. У большинства материалов спиновые моменты электронов компенсируют друг друга. Поэтому ферромагнетизм наблюдается далеко не у всех веществ таблицы Менделеева. Условия, которые необходимы, чтобы материал был ферромагнитным: 1. Существование элементарных круговых токов в атомах. 2. Наличие нескомпенсированных спиновых моментов, электронов. 3. Соотношение между диаметром электронной орбиты (D), имеющей нескомпенсированный спиновый момент, и постоянной кристаллической решетки вещества (а) должно быть a 2 ,8 1 ,6. D (4.1) 4. Наличие доменной структуры, т. е. таких кристаллических областей, в которых дипольные магнитные моменты оказываются параллельно ориентированы. 57 5. Температура материала (вещества) должна быть ниже точки Кюри, так как при более высокой температуре происходит исчезновение доменной структуры, материал переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное. Вопросы для самоконтроля 1. За счет чего в материалах существуют круговые токи? 2. Что собой представляет доменная структура материала? 3. Перечислите условия, необходимые для проявления в материале ферромагнетизма? 4.2. Основные характеристики ферромагнетиков Характерным свойством ферромагнитного состояния вещества является наличие спонтанной намагниченности без приложения внешнего магнитного поля. Однако магнитный поток такого тела будет равен нулю, так как направление магнитных моментов отдельных доменов различно (доменная структура с замкнутой магнитной цепью). Степень намагничивания вещества характеризуют величиной намагниченности, или интенсивности намагничивания (J), которая определяется как предел отношения результирующего магнитного момента Σm, отнесенного к объему вещества (V), когда объем стремится к нулю Σm Jlim . V| V  Если поместить вещество во внешнее магнитное напряженностью Н, то соотношение между J и Н будет J = 4πχH, (4.2) поле с (4.3) где χ – магнитная вязкость. Относительная магнитная проницаемость μ зависит от χ: μ = 1 + 4πχ. (4.4) Интенсивность намагничивания можно определить, зная μ: μ= 1+ J . H (4.5) В общем, магнитное поле в ферромагнетике создается как сумма двух составляющих: внешней, создаваемой напряженностью внешнего магнитного поля Н, и внутренней, создаваемой намагниченностью (J). 58 Суммарное магнитное поле характеризуется магнитной индукцией В: B = μ0(H + J), (4.6) где μ0 – магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума) μ0 = 4π∙10-7, Г/м. (4.7) Выражая значение J через χ, а затем и μ, получим: B = μ0H(1 + 4πχ) или B = μ0μH. (4.8) Абсолютная величина магнитной проницаемости μабс = μ0∙μ. (4.9) Окончательная формула для магнитной индукции В B = μабсH. (4.10) Процесс намагничивания ферромагнитного материала под влиянием внешнего магнитного поля заключается в следующем:  рост доменов, магнитные моменты которых близки по направлению с внешним полем, и уменьшением других доменов;  ориентация магнитных моментов всех доменов в направлении внешнего поля. Процесс намагничивания характеризуется для каждого ферромагнетика своей основной кривой намагничивания В = f(Н). Магнитная проницаемость μ в процессе намагничивания тоже изменяется (рис. 4.2). Рис. 4.2. Кривые намагниченности (В = f(Н)) 59 и магнитной проницаемости (μ = f(Н)) Магнитная проницаемость μ при напряженности Н, близкой к нулю, называется начальной (участок 1), а при переходе материала к насыщению она будет принимать максимальное значение (2), с дальнейшим увеличением Н магнитная проницаемость (μ) уменьшается (участки 3 и 4). При циклическом намагничивании ферромагнетика кривые намагничивания и размагничивания образуют петлю гистерезиса. Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения материала, называют предельной. По петле гистерезиса, изображенной, например, на экране осциллографа, можно получить довольно полную информацию об основных магнитных параметрах материала (рис. 4.3). Вmax В Вr –Н Н Hc –В Рис. 4.3. Петля гистерезиса Основными параметрами являются: 1) остаточная индукция, после снятия напряженности поля – Вr; 2) коэрцитивная сила Нс – напряженность, которую нужно приложить к образцу, чтобы снять остаточную индукцию; 3) максимальная индукция Bmax, которая достигается при полном насыщении образца; 4) удельные потери на гистерезис за один цикл перемагничивания, которые характеризуются площадью, охватываемой петлей гистерезиса. Остальные магнитные параметры материала, а также потери на перемагничивание (гистерезис), на вихревые токи, энергию в зазоре (для постоянного магнита) можно рассчитать по формулам, которые были приведены выше и будут приведены в дальнейшем. Вопросы для самоконтроля 60 1. Чему равен суммарный магнитный поток у намагниченного ферромагнетика? 2. Как можно определить интенсивность намагничивания ферромагнетика, зная его относительную магнитную проницаемость? 3. Какую информацию о параметрах магнитного материала можно получить, имея его предельную гистерезисную петлю? 4. Как ведет себя магнитная проницаемость материала при изменении внешнего магнитного поля? 5. Что собой представляет основная кривая намагничивания? 4.3. Потери в ферромагнитных материалах Затраты энергии, которые идут на перемагничивание ферромагнетиков, на возникновение вихревых токов в переменном магнитном поле, на магнитную вязкость материала – создают так называемые потери, которые можно разделить на следующие виды: а) потери на гистерезис Рг пропорциональны площади петли гистерезиса n Рг = η∙f∙ Bmax ∙V, Вт (4.11) где η – коэффициент гистерезиса для данного материала; f – частота поля, Гц; Вmax – максимальная индукция, Тл; V – объем образца, м3; n = 1,6...2 – значение показателя степени; б) потери на вихревые токи Рв.т. = ξ∙f2∙Вmax∙V, Вт (4.12) где ξ – коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления материала и от формы образца; в) потери на последействие Рп.с., (потери на магнитную вязкость), которые не поддаются аналитическому расчету и определяются исходя из полных потерь Р, Рг и Рв.т. по формуле Рп.с. = Р – Рг – Рв.т. (4.13) Потери на вихревые токи можно уменьшить, увеличивая электрическое сопротивление ферромагнетика. Для этого магнитопровод, например для трансформаторов, набирают из отдельных тонких, изолированных друг от друга пластин ферромагнетика. 61 4.4. Энергия в зазоре ферромагнетика На практике иногда применяют ферромагнетики с разомкнутой магнитной цепью, т. е. имеющие, например, воздушный зазор, обладающий большим магнитным сопротивлением. В теле, имеющем воздушный зазор, возникают свободные полюса, создающие размагничивающее поле, направленное навстречу внешнему намагничивающему полю. Происходит снижение индукции тем большее, чем шире воздушный зазор. Это проявляется в электромашинах, магнитных подъемных устройствах и др. Энергия в зазоре (WL), например, постоянного магнита, выражается формулой B LH L W , L 2 Дж/м3, (4.14) где ВL и НL – собственно индукция и напряженность поля при данной длине воздушного зазора. Изменяя подаваемую напряженность на ферромагнетик, можно получить в данном зазоре максимальную энергию. Для нахождения Wmax пользуются диаграммой, на которой по кривой размагничивания для магнитного материала, расположенной во втором квадранте (участок петли гистерезиса), строят кривую энергии в зазоре, задаваясь различными значениями В (или Н). Зависимость WL от ВL и НL показана на рис. 4.4. B Br BL1 BL2 A BL  H2 2 H HL2 HL1 WL=Wmax Рис. 4.4. Энергия в воздушном зазоре ферромагнетика Чтобы определить напряженность поля Н, при которой будет максимальная энергия в зазоре магнита, нужно провести касательную к максимальной энергии (в точке А), а от нее провести горизонтальную линию до пересечения с петлей гистерезиса во втором квадранте. Затем опустить перпендикуляр до пересечения с координатой Н. Точка НL2 будет определять искомую напряженность магнитного поля. 62 Вопросы для самоконтроля 1. На что тратится энергия в ферромагнитных материалах при их работе в переменном магнитном поле? 2. Какие виды потерь в ферромагнетиках Вы знаете? 3. Каким образом можно уменьшить потери на вихревые токи при данных условиях работы ферромагнетика? 4. Как определить напряженность магнитного поля по диаграмме W = (В и Н), чтобы получить максимальную энергию в зазоре магнита? 4.5. Классификация ферромагнитных материалов По основным магнитным параметрам ферромагнитные материалы можно классифицировать на следующие группы: 1. Магнитно-мягкие – материалы с малым значением коэрцитивной силы Нc ( до 100 А/м), большой величиной магнитной проницаемости и малыми потерями на гистерезис. Они используются в качестве магнитопроводов постоянного тока (сердечники трансформаторов, измерительных приборов, катушек индуктивности и т. п.). Рисунок 4.5а,б,в включает в себя разновидности гистерезисных петель с разным характером кривых намагничивания для магнитномягких ферромагнетиков; рисунок 4.5г – представляет петлю гистерезиса для магнитно-твердого материала. Рис. 4.5. Гистерезисные петли магнитных материалов К магнитно-мягким материалам относятся: – технически чистое железо, карбонильное железо; – электротехническая сталь; – пермаллои; – альсиферы; – ферриты (медномарганцевые); – термомагнитные сплавы (Ni-Сr-Fе) и др. 63 2. Магнитно-твердые – материалы, имеющие большую коэрцитивную силу (Нс > 100 А/м) (рис. 4.5, г). Магнитотвердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов, в которых используется магнитная энергия в воздушном зазоре между полюсами магнита. К магнитно-твердым материалам относятся: – литые сплавы альни (Аl-Ni-Fе); – альнико (Al-Ni-Со-Fе); – магнико; – легированные стали, закаливаемые на мартенсит и др. 3. Ферриты – материалы, представляющие собой двойные окислы железа с окислами двухвалентных металлов (МеО∙Fe2O3). Ферриты могут быть магнитно-мягкими и магнитно-твердыми, в зависимости от их кристаллического строения, например, типа шпинели – (MgAl3O4), гаусмагнита (Мn3O4), граната Ga3Al2(SiO4)3 и др. Электрическое удельное сопротивление их велико (от 10-1 до 1010 Ом∙м), следовательно, потери на вихревые токи, особенно при высоких частотах, малы. 4. Магнитодиэлектрики – материалы, состоящие из ферромагнитного порошка с диэлектрической связкой. Порошок берется обычно на основе магнитно-мягкого материала – карбонильное железо, альсифер, а связующим диэлектриком служит материал с малыми диэлектрическими потерями – полистирол, бакелит и др. В табл. 4.1 приводятся справочные параметры некоторых ферромагнитных материалов различных классификационных групп. Таблица 4.1 Наименование магнитного материала Химический состав или марка Относительная магнитная проницаемость, μ начальная, μн Магнитная индукция В, Т Коэрцитивная максимакси- остасила мальмаль-ная, точНс, А/м ная, μmax ная, В Вmax Удельн. Энергия в электризазоре ческое WL  сопроBL HL , тивле2 ние ρ, Дж/м3 мкОм∙м Магнитно-мягкие Электротехническая сталь Пермаллой низконикелевый Si до 2,8 — 50000 0,4 1,5 16 0,4 1500 15000 — 1 20 0,9 % 50 НХС 64 Пермаллой высоконикелевый 76 НХД 35000 220000 — 0,65 1 0,55 Супермаллой — 100000 1500000 — 0,8 0,3 0,6 Альсифер Al, Ni, Fe 35000 120000 — 1,5 1,8 0,8 Ферриты Феррит никельцинковый Феррит марганеццинков ый 2000 НМ 2000 7000 — — 12 10-7 6000 НМ 6000 10000 — — 12 105 Магнитно-твердые Альни Ю НД8 — — 0,55 — 44000 — 5000 Альнико ЮНДR 3515 — — 0,8 — 87000 — 14000 1 БИП — — 0,19 — 120000 — 2800 2,4 БА — — 0,33 — 224000 — 9600 — — 1,3 — 60000 — 24000 7 — — Феррит бариевый Феррит бариевый Магнико Магнитодиэлектрики На основе карбонильного железа 16 73 0,2 65 0,8 5. Диэлектрические материалы Диэлектрические материалы – это материалы, используемые для изоляции токоведущих частей друг от друга, для создания емкостей (конденсаторов) – накопителей заряда, изоляторов для других целей. Это самая обширная группа радиоматериалов. Они могут быть: газообразными – воздух или другие газы; жидкими – всевозможные масла, клеи, лаки; твердыми – керамика, пластмасса, стекло, смола и др. Имея широкую запрещенную зону, Wg  3 эВ, они относятся к неметаллам; обладают большим удельным электрическим сопротивлением (103…1016 Ом·м). По химическому составу диэлектрики разделяют: на органические – смолы, пластмассы, слоистые пластики, воскообразные, лаки, ткани, фторпласты, эластомеры и др.; неорганические – керамика, стекла, слюды, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, фториды, оксиды и др.; элементоорганические – смолы, пластмассы, эластомеры, масла, клеи и др. Основные электрические процессы и явления, происходящие в диэлектриках, помещенных в электромагнитное поле, показаны на структурной схеме (рис. 5.1). Там же приводятся типы и виды этих процессов, характеризуемые основными параметрами. В электрическом поле в диэлектрике происходят следующие основные процессы: 1) поляризация, характеризуемая относительной диэлектрической проницаемостью ε; 2) электропроводность γ (объемная γv и поверхностная γs), характеризуемая удельным электрическим сопротивлением (объемная γv и поверхностная γs)   v 1  v   ; s 1  s ; (5.1) 3) диэлектрические потери, характеризуемые тангенсом угла диэлектрических потерь – tg δ; 4) пробой в электрическом поле, характеризуемый пробивной напряженностью Епр. 66 , Рис. 5.1. Структурная схема диэлектриков 5.1. Поляризация диэлектриков Поляризацией диэлектриков называется упорядоченное смещение связанных противоположных зарядов, находящихся в диэлектриках, происходящее под воздействием внешнего электрического поля. В результате этого на противоположных поверхностях диэлектрика, перпендикулярных силовым линиям поля, возникает заряд. Поляризация характеризуется величиной поляризованности диэлектрика PD, которая является пределом отношения суммы электрических моментов всех связанных противоположных зарядов mi, отнесенных к объему диэлектрика V, когда он стремится к нулю: m  i P  lim . d  VV (5.2) С поляризованностью связана относительная диэлектрическая проница-емость ε, которая показывает, во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком CD больше емкости такого же конденсатора, если между ними его обкладками находится вакуум, С 0: 67 " С C  C d d   o, где C C o o " С C . d C o d (5.3) Из этого следует, что для вакуума ε = 1, а для любого другого диэлектрика ε > 1. Связь между ε, PD и напряженностью приложенного электрического поля Е определяется формулой Р 1 d. Е (5.4) Связь между величиной заряда на поверхности диэлектрика Q, его параметрами и приложенным электрическим полем U S ,Кл Q  o U , d (5.5) где ε0 = 8,85·10-12 , Ф/м – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (диэлектрическая постоянная вакуума).  S o C , Емкость диэлектрика (5.6) d d ,Ф где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S – площадь меньшего электрода, приложенного к диэлектрику, м2; d – толщина диэлектрика, м; Таким образом заряд на диэлектрике (или конденсаторе) зависит от его емкости и приложенного к нему напряжения, Кл: QCU . (5.7) Абсолютная диэлектрическая проницаемость диэлектрика равна относительной, умноженной на диэлектрическую постоянную ε0 вакуума абс o. (5.8) 5.1.1. Виды поляризации Так как в любом материале, а значит, и в диэлектрике, имеется большое количество различных связанных между собой противоположных зарядов (электронов, протонов, ионов, диполей и т. п.), то существует много видов поляризации: дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, спонтанная, электронная, высоковольтная, резонансная и др. 68 Для сокращения сгруппируем все эти виды в три основных типа поляризаций: А) электронный (безынерционный); Б) дипольно-релаксационный (инерционный); В) спонтанный (самопроизвольный). А. Электронный тип поляризации происходит мгновенно (τ ≈ 1013 … 10-15с), упруго, без потерь и линейно. Если рассматривать поведение Q от величины U за один цикл измерения переменного поля (рис. 5.2), для атома водорода (рис. 5.3,а), то это будет прямая, проходящая через начало координат (рис. 5.3,б). Атом водорода + +U +Q –U τ –U Без поля +U – Приложено поле –Q а б Рис. 5.2 Рис. 5.3 Б. Дипольно-релаксационный тип поляризации связан с разворотом (смещением) диполей (молекул, ионов) (рис. 5.4,а), и характерен для полярных диэлектриков. При этом поляризация происходит не мгновенно, с потерями, не упруго, но линейно. Зависимость Q = f(U) представляет собой эллипс (рис. 5. 4,б). +Q Полярный диэлектрик + +U -U Поля нет Поле приложено – -Q а б Рис. 5.4. 69 +Q -U Поля нет +U Поле приложено -Q а) б) Рис. 5.5 В. Спонтанный или самопроизвольный тип поляризации характерен для диэлектриков, имеющих доменную структуру, например, сегнетоэлектрики и нелинейно, т. е. имеет место явление насыщения, когда все моменты доменов развернутся по полю (рис. 5.5, а). Зависимость заряда на поверхности сегнетоэлектрика от приложенного напряжения представляет собой петлю гистерезиса, (рис. 5. 5,б). Все материалы, имеющие доменную структуру, обладают высокой проницаемостью в поле, нелинейностью, т. е. ε = f(U), петлей гистерезиса и имеет точку Кюри – температуру, выше которой начинается перекристаллизация и исчезновение доменной структуры. Обычно реальные диэлектрики обладают несколькими видами поляризации, но преобладающим является какой-то один из трех вышеперечисленных типов. Нейтральным диэлектриком свойственен электронный тип поляризации. При этом диэлектрическая проницаемость их мала, например: у фторопласта ε = 2,5, у парафина ε = 2,2. Полярным ионным диэлектрикам свойственен дипольнорелаксационный тип поляризации, относительная диэлектрическая проницаемость их больше, чем у нейтральных, например: у гетинакса ε = 6…8, у полихлорвинила ε = 5…7, у слюды ε = 6…7. Сегнетоэлектрикам свойственен спонтанный тип поляризации, их относительная диэлектрическая проницаемость велика: сегнетова соль имеет ε = 3000…6000, титанат бария ε = 1700…3500. 70 5.1.2. Влияние различных факторов на поляризуемость диэлектрика Поляризуемость диэлектрика изменяется от многих факторов: температуры, частоты поля и др. Зависимости ε от температуры и частоты поля для полярных диэлектриков показаны на рис. 5.6 и 5.7. ε ε 1 2 1 2 t f fгранич. Рис. 5.6 Рис. 5.7 Когда на участке 1 (рис. 5.6) повышается температура, происходит ослабление сил связи между молекулами (ионами) и поляризуемость увеличивается. На участке 2, при уже значительном тепловом движении, поляризуемость уменьшается, т. к. хаотическое движение мешает направленному, вызываемому полем. На рис. 5.7 показано поведение диэлектрической проницаемости в зависимости от изменения частоты поля. На участке 1 диполи (молекулы, ионы) успевают следовать за полем (переполяризовываться) и ε не меняется. На участке 2, после граничной частоты, ε уменьшается за счет того, что диполи не успевают следовать за полем, их поляризация не мгновенная. Явление поляризации в диэлектриках – процесс объемный, т. е. смещение связанных противоположных зарядов происходит во всем объеме материала. Однако внешне это явление проявляется в виде накапливания заряда на поверхности диэлектрика. Так как диэлектрики обладают большим диэлектрическим сопротивлением по сравнению, например, с проводниками, то в них может накапливаться электрическая энергия, создаваться значительное электрическое поле. Это свойство диэлектриков используется в электрических конденсаторах и других устройствах, например, в электретах. 71 5.1.3. Электретный эффект Если, например, полярный диэлектрик поместить в электрическое постоянное поле и одновременно нагреть, то диполи максимально развернутся вдоль силовых линий поля. Если затем в поле охладить диэлектрик до комнатной температуры, то на его поверхности после снятия поля может довольно длительно сохраняться электрический заряд (рис. 5.8). Рис. 5.8 Такой диэлектрик называется электретом, он может служить источником статического электричества. Вопросы для самопроверки 1. На какие группы делятся все материалы по отношению к электрическому полю? 2. Приведите основные особенности поведения каждой группы материалов в электрическом поле. 3. Какими основными параметрами характеризуются диэлектрики? 4. Что собой представляет явление поляризации в электрическом поле? 5. Какими параметрами характеризуется поляризация? 6. Какие Вы знаете виды поляризации и в каких диэлектриках они проявляются? 7. Приведите особенности каждого из трех типов поляризации. 8. В каких элементах, устройствах проявляется и используется явление поляризации? 9. В чем заключается электретный эффект в диэлектриках? 5.2. Электропроводность диэлектриков Электропроводность материала – это способность пропускать через себя электрический ток за счет свободных или почти свободных заряженных частиц. Электропроводность определяется электрическим сопротивлением (ρ) и является его обратной величиной. В твердых 72 диэлектриках ток может проходить как по их объему, так и по поверхности, поэтому различают удельную объемную проводимость γ V и удельную поверхностную проводимость γS, а следовательно, объемное удельное сопротивление ρV и поверхностное удельное сопротивление ρS, причем их соотношения следующие:   v 1  v s  ; 1 s . (5.9) За удельное объемное сопротивление материала принимается сопротивление (RV) куба этого материала со стороной, равной метру, когда к противоположным граням его приложено напряжение (рис. 5. 9) S VR V l , Ом·м, (5.10) где S – площадь электрода, к которому приложено напряжение; l – расстояние между электродами. Рис. 5.9 За удельное поверхностное сопротивление диэлектрика принимается сопротивление (RS) квадрата его поверхности с любой стороной, когда к противоположным сторонам его приложено напряжение (рис. 5.10) b Sl  R , Ом, S (5.11) где b – длина одного электрода, соприкасающегося с поверхностью; l – расстояние между электродами. 73 Рис. 5.10 Полное сопротивление диэлектрика складывается из его объемного и поверхностного сопротивлений, соединенных параллельно R R V S, R Ом. R  R V S (5.12) Рассмотрим электропроводность как количество заряженных частиц, способных к перемещению. Для любого материала, к которому приложено электрическое напряжение, удельная электропроводность зависит от наличия заряженных частиц (электронов, ионов), их количества, способности к перемещению, т. е. подвижности. Обозначим заряд частицы через q, Кл; количество заряженных частиц, приходящихся на 1 м , через N, 1/м3; подвижность частиц – u через их скорость v, м/с, поле, напряженностью 1 В/м, т. е. получим формулу для электропроводности: U  E , тогда qNU. (5.13) Подставим единицы измерения для каждого члена формулы: 2 1 1 м / сА  с  м   Кл    . 3 В / м 3 Ом  м (5.14) м В  м  с Для диэлектриков удельное сопротивление очень велико (ρ ≈ 103..1016 Ом·м), и электропроводность, а следовательно, и токи утечки малы. Поэтому диэлектрики служат для изоляции, для накопления заряда (конденсаторы) и других подобных целей. Различают несколько видов электропроводности в зависимости от вида заряженных частиц, осуществляющих её: а) электронная – носители электроны; б) ионная (или электролитическая) – носители ионы; в) молионная (или электрофоретическая) – носители группы молекул; г) смешанная – носители разные (электроны, ионы, молионы). Рассмотрим энергетическую диаграмму диэлектриков, чтобы проследить, какие внешние воздействия влияют на электропроводность (рис. 5.11). 74 Рис. 5.11 Внизу находится валентная зона (ВЗ), заполненная валентными электронами, выше раcположена зона запрещенных энергий, где нет энергетических уровней (ЗЗ), её величина – Wg (в эВ); вверху находится зона проводимости (ЗП). Если в эту зону попадает электрон, он становится свободным и может участвовать в переносе заряда. Ширина запрещенной зоны у диэлектриков велика, т. е. Wg  3 эВ, поэтому диэлектрики имеют большое сопротивление. Если же диэлектрик имеет в своем составе легкопроводящие примеси (ионы), то сопротивление за их счет снижается, возрастают токи утечки. Когда диэлектрик нагревается, возможность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости возрастает, увеличивается диссоциация ионов, несколько растет и подвижность заряженных частиц. Поэтому электропроводность, увеличивается, это увеличение идет по закону экспоненты (рис. 5.12). Формула для электропроводности при температуре Т: W t γt A e kT , (5.15) где А – постоянная для данного диэлектрика, Ом-1; е – основание натурального логарифма: , k – постоянная Больцмана, 1,38·10-23 Вт/град; Т – абсолютная температура, К; Wt – термическая энергия активации, эВ. γt γS 2 1 100 % влаги T Wt 50 % Рис. 5.12 Рис. 5.13 75 Поверхностная электропроводность γS сильно зависит от влажности и способности диэлектрика смачиваться или не смачиваться влагой. Гидрофобные диэлектрики (несмачиваюшиеся) слабо изменяют γS от влажности среды, а гидрофильные (смачиваемые) довольно сильно. На рис. 5.13 приведены зависимости γS от процентного содержания влаги в окружающей среде для фторопласта – 4 (1) – гидрофобного, и плавленного кварца (2) – гидрофильного. В слабом электрическом поле для диэлектриков соблюдается закон Ома, т. е. их электропроводность постоянна (γ0). Но в сильных полях ( > 106 В/м) перестает действовать закон Ома и действует (рис. 5.14) закон Пуля (зависимость построена в полулогарифмическом натуральном масштабе) Е Е0е , (5.16) где γ0 – электропроводность в слабом поле; α – коэффициент материала (обычно 1 < α < 2); Е – напряженность в области сильных полей. ln γE закон Пуля γ0 закон Ома Слабое поле Е, В/м Сильное поле Рис. 5.14 Обычно в справочных таблицах приводится два удельных сопротивления диэлектрика – объёмное pv и поверхностное ps. Для газов р – велико, но при достижении поля выше ионизационного потенциала сопротивление резко падает. Воздух имеет р ≈ 1016 Ом·м при нормальных условиях. Сопротивление жидкостей зависит от присутствия в них примесей, воды. Чистое трансформаторное масло имеет – p = 1012…1013 Ом·м; вода (дистиллированная) – р = 104...105 Ом·м (вода сильно полярный диэлектрик). Твердые нейтральные диэлектрики, например полистирол имеют р = 10 14...1016Ом·м; полярные – оргстекло, винипласт р = 1012... 1013 Ом·м. Вопросы для самоконтроля 76 1. Что такое электропроводность материала? 2. Какие необходимы условия, чтобы в диэлектрике возник ток? 3. Приведите основные формулы для удельного объёмного и поверхностного сопротивлений. 4. От каких факторов зависит электропроводность диэлектриков? 5. Какие виды носителей заряда и какие виды электропроводности диэлектриков Вы знаете? 6. Каким образом зависит электропроводность от температуры диэлектрика? 7. Как ведет себя электропроводность в слабых и сильных электрических полях? 8. Как ведет себя поверхностная электропроводность гидрофобных и гидрофильных диэлектриков от процентного содержания в них влаги? 5.3. Диэлектрические потери Диэлектрическими потерями называется активная мощность Ра, рассеиваемая в диэлектрике при приложении к нему электрического напряжения и вызывающая его нагрев, РаUI в постоянном электрическом поле; (5.17) Р UI cos   впеременном электрическом поле, (5.18) а где Ра – активная мощность – диэлектрические потери, Вт; U – приложенное напряжение, В; I – протекающий ток, А; φ – угол сдвига фаз между током и напряжением. 5.3.1. Виды диэлектрических потерь Различают следующие виды потерь: 1) потери на замедленные виды поляризации; 2) потери на сквозную электропроводность (токи утечки): 3) потери на ионизацию (в газообразных или твердых пористых диэлектриках); 4) потери на структурную неоднородность (в неоднородных диэлектриках). 5.3.2. Схемы замещения диэлектриков и векторные диаграммы к ним Идеальный диэлектрик, который совсем не проводит ток, может быть представлен в постоянном поле как разрыв в электрической цепи, а в переменном — как чистая емкость. Схема замещения такого диэлектрика представлена на рис. 5.15; рядом векторная диаграмма тока 77 и напряжения для неё; вектор тока на емкости опережает вектор напряжения на 90° (опережение — против часовой стрелки) U φ I φ = 90º соs φ = 0; Pa = 0 Рис. 5.15 В таком идеальном диэлектрике диэлектрические потери отсутствуют. Однако реальный диэлектрик всегда имеет токи утечки, которые можно представить активным сопротивлением R. Схема замещения такого диэлектрика представлена на рис. 5.16. Рядом векторная диаграмма U и I; вектор тока на активном сопротивлении совпадает с вектором напряжения, а полный ток I является суммой векторов Ic и Ia. U φ I Iс Iа φ < 90º соs φ≠0; Pa ≠ 0 Рис. 5.16 Угол δ дополняет угол сдвига фаз между током и напряжением (φ) до 90° и называется углом диэлектрических потерь. Как видим, чем меньше сопротивление диэлектрика, тем будет больше ток I, и тем больше будет угол δ — угол диэлектрических потерь. Для характеристики потерь пользуются tg угла потерь, чтобы избавиться от размерности угла (градус, минут). Из векторной диаграммы тока и напряжения определяем: 78 I tg a 1 , Ic  C R (5.19) где ω – круговая частота поля,   2f , где f – линейная частота; С – емкость диэлектрика, 0S С  d ,Ф (5.20) R – его активное сопротивление. Подставив значение тока (I) через tgδ в формулу диэлектрических потерь, получим выражение для Ра: 2 P  UI  U    C  tg  ,Вт. (5.21) a a Мощность (Ра) характеризует диэлектрические потери при определенном напряжении, частоте и габаритах изделия. В справочнике приводится tgδ, который характеризует потери в материале, независимо от других факторов (кроме частоты электрического поля). 5.3.3. Зависимость tgδ и Ра от внешних факторов Зависимость диэлектрических потерь от различных факторов отражает зависимости величин, входящих в формулу потерь, от этих факторов. Например, С зависит от ε, а ε от температуры и частоты. То же самое можно сказать и о электропроводности, ионизации и др. Посмотрим поведение полярного диэлектрика при изменении температуры. Рассмотрим величины ε, γ, tgδ и Ра в функции Т (рис. 5.17). На рис. 5.18 показана зависимость этих же параметров от частоты переменного поля. 79 Рис. 5.17 Рис. 5.18 Особенности поведения каждого компонента сказываются на поведении tgδ и Ра. Если диэлектрик неоднородный, в нем проявляются особенности каждого входящего в него компонента. В качестве примера рассмотрим поведение tgδ от Т для картона (это полярный диэлектрик на основе целлюлозы), пропитанного полярной жидкостью (маслом). У целлюлозы максимальные потери наблюдаются при отрицательных температурах, а у масла при положительных. Это отражается на зависимости tgδ от Т (рис. 5.19). Рис. 5.19 Величина tgδ приводится в справочных таблицах и характеризует потери в материале. Для полярных диэлектриков значения tgδ лежат в диапазоне десятых или сотых долей единиц, для нейтральных меньше, – тысячных или десятитысячных долей единиц. Для газов, например воздуха, при напряжениях ниже ионизации, потери малы tgδ ~ 10-7, но как только напряжение превысит ионизационный потенциал, потери быстро растут. 80 Примеры tgδ для конкретных изоляционных материалов и их использование; полиуретан (полярный) tgδ = 0,02 – изоляционные платы, каркасы катушек, панели; винипласт (полярный) – tgδ = 0,01 – изоляционные пленки; полистирол (нейтральный) – tgδ = 0,0001 – материал для конденсаторов и изоляции; фторопласт-4 (нейтральный) – tgδ = 0,0002 – изоляционные платы; керамика KM-1 – tgδ = 0,002 – платы для микросхем. Вопросы для самоконтроля 1. Что собой представляют диэлектрические потери? 2. Какие виды потерь вы знаете? 3. Каким параметром представлены потери для диэлектриков в справочных таблицах? 4. Какой электрической схемой замещения можно изобразить реальный диэлектрик? 5. Чтo такое угол диэлектрических потерь? 6. Как выглядит векторная диаграмма тока и напряжения для реального диэлектрика? 7. Как выглядит зависимость tgδ и Ра для полярного диэлектрика в широком диапазоне температур? 8. Напишите формулу для мощности (Pа) потерь в диэлектрике с учетом приложенного напряжения, размеров диэлектрика и особенностей материала. 9. Сопоставьте значения tgδ для полярных и нейтральных диэлектриков (на конкретных примерах). 5.4. Пробой диэлектриков Диэлектрик в электрическом поле теряет свои свойства электроляционного материала, если напряженность поля, превысит некоторое критическое значение. Это явление называется пробоем диэлектрика или нарушением его электрической прочности. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением Uпр, а соответствующее ему значение напряженности поля Епр – электрической прочностью диэлектрика, U пр Е  /м , пр d ,В (5.22) где d – толщина диэлектрика, м. 81 Электрическая прочность Епр является одним из важнейших параметров электроизоляционного материала. На её значение влияет множество факторов: однородность поля, вид напряжения, время нахождения диэлектрика под напряжением, частота поля, температура, влажность диэлектрика, его чистота, нагревостойкость и др. Явления, имеющие место в диэлектрике при и после пробоя, определяются видом материала. Так в газах, в месте пробоя, образуется канал газоразрядной плазмы, в жидкостях происходит вскипание и газовыделение, сопутствующие образованию проводящего канала, а в твердых диэлектриках в месте пробоя остаётся прожженное или проплавленное отверстие, нередко покрытое изнутри проводящими продуктами разложения. 5.4.1. Виды пробоя Для газообразных, жидких и твердых диэлектриков различают несколько видов пробоя. 1. Ионизационный, связанный с ударной и фотоионизацией. Он характерен для газообразных и очень чистых жидких диэлектриков. Развивается мгновенно (10-7…10-8 с). После снятия напряжения прочность таких диэлектриков восстанавливается. 2. Чисто электрический – за счет возникающей лавины электронов. Он характерен для беспримесных твердых однородных и неоднородных материалов с малыми диэлектрическими потерями. Развивается мгновенно (10-6…10-7 с), когда скорость электронов v  100 км/с. 3. Электрохимический пробой связан с возникновением химических процессов в диэлектрике (жидком или твердом) под действием электрического поля – химическое разложение, электролиз и т. п. Развивается медленно (минуты, часы, дни и более). 4. Электротепловой пробой наблюдается в твердых (или жидких) диэлектриках. Обусловлен нарушением теплового равновесия вследствие больших диэлектрических потерь и недостаточности теплоотдачи. 5. Поверхностный пробой. Это пробой в газообразном или жидком диэлектрике, прилегающем к поверхности, твердой изоляции. Он связан с появлением короны, искры, проводящего канала по поверхности. Рассмотрим немного подробнее наиболее часто встречающиеся виды пробоя. 5.4.2. Ионизационный пробой Ионизационный пробой связан с ударной и фотоионизацией. Рассмотрим его на примере газообразного диэлектрика. Заряженная 82 частица газа, например электрон, в электрическом поле получает направленное ускоренное движение. При этом она приобретает энергию Wчаст, зависящую от заряда частицы (q), средней длины её свободного пробега (λср) и напряженности поля (Е) W  q    Е . част c р (5.23) Если энергия частицы станет равной или больше энергии ионизации данного газа Wион, то начнется ударная ионизация, приводящая через 10-6... 10-7 с. к пробою газа. W , то можно записать част ион Если W W  q    Е . част c р пр (5.24) Энергия ионизации газа при данных условиях (температуре, давлении) величина постоянная. Тогда можно записать, что  W  q c  Е  const . (5.25) част р пр Отсюда следует, что если уменьшить λср, то возрастет Епр, а если увеличить λср, то Епр уменьшится. Рассмотрим, как происходит ударная ионизация газа. Схема развития этого пробоя в газе приведена на рис. 5.20. Заряженная частица, энергия которой стала равной энергии ионизации газа, при соударении с нейтральным атомом (молекулой) способна его ионизировать, т. е. выбить у него один или два валентных электрона, а сам атом превратить в положительно заряженный ион. Освободившиеся электроны, ускоряясь в поле, создают новые заряженные частицы (рис. 5.20,а) и т.д. Рис. 5. 20 Возникает лавина, состоящая из отрицательно и положительно заряженных частиц, которые и образуют проводящий канал (рис 5.20,б). В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать атом (или молекулу), а перевести его в возбужденное состояние. В следующий момент после удара возбужденный атом отдает свою избыточную энергию в виде излучения – испускает фотон. Фотон, опережая основную лавину (его скорость равна скорости света 10 8 м/с), может ионизировать другой атом. Такая внутренняя фотоионизация газа 83 приводит к образованию стримеров – частично проводящих каналов, опережающих основную лавину, что приводит к особенно быстрому развитию пробоя (τ ≤ 10-8 с). Электрическая прочность газов сильно зависит от однородности поля (рис. 5.21). В однородном поле, образующемся, например, между двумя шарами «шар – шар» прочность выше, чем в неоднородном поле, образующемся между шаром и иглой «шар – игла». Рис. 5 21 Электрическая прочность газообразных диэлектриков зависит от давления (рис. 5.22). При давлениях (Р) выше нормального увеличение Епр связано с уменьшениям длины свободного пробега электронов λср , а при малых (Р) ниже нормального – уменьшается Епр в связи с увеличением λср. При давлении меньше 0,5 атм. Епр начинает увеличиваться, так как количество частиц газа в объеме уменьшается и затруднено формирование канала проводимости. Пробой при высоком разряжении газа происходит за счет электронов, вырываемых из металла электродов. Внешней изоляцией во многих электротехнических устройствах – в трансформаторах, конденсаторах, линиях электропередач – является воздух. Епр Р, атм 0,5 1,0 Рис. 5.22 Его электрическая прочность невелика по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками – 3,2 МВ/м. Шестифтористая сера – SF6 (элегаз) – с большей массой молекулы, чем воздух, имеет прочность ~ 8 МВ/м. Если же в воздух добавить пары хлора, то, реагируя с молекулами 84 воздуха, Сl утяжеляет их и тем самым увеличивает прочность в 6 – 7 раз. Подобное явление наблюдается при введении фтора и других элементов. Ионизационный пробой тщательно очищенных жидкостей имеет тот же механизм, что и у газов, но электрическая прочность их выше, чем газов - 30 ... 80 МВ/м. Это объясняется тем, что требуется большая напряженность поля для ионизации молекул жидкости, т. к. ее заряженная частица обладает меньшей длиной свободного пробега в более плотной среде, какую имеет жидкость по сравнению с газом. При снятии напряжения после, такого вида пробоя свойства газов (жидкостей) восстанавливаются. Жидкие диэлектрики применяются в качестве изолирующей и охлаждающей среды, для пропитки твердых пористых материалов. 5.4.3. Электрический пробой (электронный) Этот вид пробоя по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих свободных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Это происходит после того, как скорость электронов в электрическом поле превысит 100 км/с, и они становятся способными отщеплять новые электроны у атомов кристаллической решетки. Образуется лавина, которая ищет себе путь продвижения наиболее легкий (где есть какие-то дефекты, примеси). Лавина на пути продвижения к электродам образует проводящий канал, соединяющий электроды. Наступает пробой почти мгновенно, за 10-6 ... 10-7 с. Величина электрической прочности при этом виде пробоя зависит от однородности структуры, от толщины диэлектрика, от площади приложенных электродов. Чем выше однородность диэлектрика, тем выше его электрическая прочность (табл. 5.1). Чем тоньше неоднородный диэлектрик, тем выше его прочность, т. к. вероятность попадания неоднородностей уменьшается. Поэтому прочность пленок выше, чем этих же материалов большей толщины. Таблица 5.1 Материал диэлектрика Стекло Плотная керамика Особенности структуры, толщина Однородный диэлектрик Неоднородный диэлектрик Пористая керамика Очень неоднородный диэлектрик Фторопласт-4 Фторопласт-4 Толщина 3 мм Пленка ≈ 30 мкм 85 Епр, МВ/м ~ 300 ~ (10…30) ~ (1,5…2,5) ~ 30 ~ 200 При снятии напряжения после пробоя свойства твердых диэлектриков не восстанавливаются. 5.4.4. Электрохимический пробой Электрохимический пробой наблюдается в жидких и твердых диэлектриках, в которых под действием электрического поля возникают электролитические процессы (разложение, электролиз и т. д.), обусловливающие постепенное необратимое уменьшение сопротивления изоляции. Такое явление называется старением диэлектрика, оно приводит к постепенному снижению электрической прочности материала. Наблюдается как в органических, так и неорганических диэлектриках. Наиболее часто электрохимический пробой имеет место в органических пропитанных диэлектриках (пропитанный картон), а также в керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ТiO2), или щелочных окислов. Электрохимический пробой наблюдается в постоянных или низкочастотных переменных полях при повышенных температурах и высокой влажности. При электрохимическом пробое у твердых диэлектриков после снятия напряжения свойства не восстанавливаются. В высокочастотных электрических полях электрохими-ческий пробой не наблюдается (не успевает произойти). 5.4.5. Электротепловой пробой твердых диэлектриков (тепловой пробой) Данный вид пробоя сводится к разогреву диэлектрика в электрическом поле, приводящему к его растрескиванию, обугливанию или сгоранию. Это происходит, когда тепло, выделяемое в изделии за счет диэлектрических потерь, превышает тепло, отводимое от его поверхности. Пробивное напряжение при электротепловом пробое зависит от частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды, формы изделия, и нагревостойкости материала, его теплопроводности. В большинстве случаев теплоотвод от нагретого диэлектрика обусловлен конвекцией воздуха, теплопроводностью и лучеиспусканием – условия работы подвесных керамических изоляторов линий передач, каркасов катушек индуктивности. Теплоотвод за счет теплопроводности 86 окружающей среды имеет место в кабелях, вводах, проходных изоляторах. Рассмотрим условия теплового равновесия для изоляционного изделия и расчет рабочего и пробивного напряжения, для него при помощи уравнений для тепла, выделяющегося в изделии (Ра) и тепла, отводимого от него (Q). Используем при этом графики зависимости Ра и Q от температуры и знание того, что тепловой пробой обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектрика и окружающей среды вследствие больших диэлектрических потерь (Ра). Мощность Ра, выделяющаяся в диэлектрике (изделии), емкость которого С, при подаче на него напряжения U с угловой частотой ω, равна   тепловыведение (нагрев). (5.26) Тепловая мощность Q, отводимая от нагретого изделия, пропорциональна суммарному коэффициенту теплоотдачи – σ, площади поверхности – S и разности температур изделия Тд и окружающей среды Т0 2 P U   C  tg  a   теплоотвод (теплоотдача). (5.27) Условие теплового равновесия изделия определяется равенством этих мощностей  Q  S T  T  д 0 P  Q. a (5.28) На рис. 5.23 представлены зависимости Ра и Q от температуры. В общем случае они имеют пересечения при температуре Тд1 и Тд2, а значит, в этих точках имеет место тепловое равновесие диэлектрика (изделия), т. е. Ра = Q. Тд1 – температура, при которой имеет место устойчивое динамическое тепловое равновесие диэлектрика. При меньшей температуре (Т<Тд1) он будет нагреваться, т. к. Q < Ра, а если температура его немного превысит U, то диэлектрик начнет охлаждаться, т. к. Q > Pa. Используя это в точке, можно приравнять уравнения для Ра и Q и определить напряжение, при котором диэлектрик может устойчиво работать, имея запас по нагреву. Тд. кр — это температура тоже теплового равновесия, но если она будет превышена хоть на долю градуса, начнется развитие теплового пробоя. Её можно назвать критической температурой теплового равновесия и по ней, приравняв Q и Ра, можно определить напряжение теплового пробоя. 87 Рассуждая таким образом, запишем выражения для рабочего и пробивного напряжения для рассматриваемого изделия (диэлектрика)    S  T T  S  T  T   д 1 0 ; и . кр0 д  U  (5.29) раб  С tg  U  д . кр  С tg  Ра, Q . Ра Q T T0 Tx1 Tx кр. Рис. 5.23 Электротепловой пробой диэлектриков зависит от нагревостойкости материала. Чем выше нагревостойкость диэлектрика, тем при более высоких температурах будет развиваться тепловой пробой. Для двух диэлектриков с разными классами нагревостойкости поведение Епр f T показано на рис. 5.24. Епр 1 2 Т, ºС 90 180 Рис. 5.24 1-я – зависимость принадлежит органическому диэлектрику (класс нагревостойкости У – 90 ºС); 88 2-я – неорганическому диэлектрику (класс нагревостойкости C ≥ 180 °C). До температуры 90 ºС для кривой 1, и 180 °С для кривой 2 имеет место электрический пробой, а после этих температур (для соответствующих диэлектриков) будет развиваться тепловой пробой – наблюдается довольно резкий спад электрической прочности. Существуют и другие виды пробоя, которые могут иметь место при специфических условиях. Ниже приводятся некоторые из них. Электромеханический пробой наблюдается в полимерных диэлектриках при повышенных температурах. Под действием сил электростатического притяжения между токоведущими частями изделия происходит механическое сдавливание диэлектрика, которое может привести к его механическому разрушению. Электротермомеханический пробой может иметь место в хрупких пористых диэлектриках, например в керамике. При ионизации газа в порах керамики образуются перегретые области, их расширение больше, чем в других областях. В результате в диэлектрике возникают механические напряжения, приводящие к микротрещинам, а в итоге может произойти механическое разрушение диэлектрика. Поверхностный пробой твердых диэлектриков может происходить, если в процессе эксплуатации поверхность диэлектрика подвергается действию загрязнений, увлажнению. При этом значительно уменьшается сопротивление поверхности и повышается ток, а соответственно и температура. Это может вызывать интенсивное разложение молекул кислорода воздуха (воды) на атомарный кислород. Под воздействием этих факторов происходит деструкция (разложение) поверхности диэлектрика, которая у ряда материалов сопровождается выделением углерода в виде проводящих мостиков – треков. Повреждение поверхности вследствие поверхностного пробоя называется трекингом диэлектриков. 5.5. Классификация диэлектрических материалов Обычно диэлектрики классифицируются: 1) по агрегатному состоянию – газы, жидкости, твердые вещества; 2) химическому составу – органические, неорганические и элементоорганические; 3) характерным группам каждого из химического состава: органические: а) воскообразные; 89 б) смолы и пластмассы; в) битумы и компаунды; г) лаки и клеи; д) лакоткани; е) слоистые пластики; ж) эластомеры; з) фторорганические диэлектрики. неорганические: а) стекла, ситаллы и эмали; б) керамика; в) слюда и материалы на её основе; г) сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики; д) оксидная и фторидная изоляции; е) асбест. В табл. 5.2 приведены характеристики некоторых электроизоляционных материалов. Таблица 5.2 Электроизоляционные материалы Агрег атное состо яние 1 Газы Наименование материалов (диэлектриков) 2 Воздух Элегаз (SF6) Диэлект рическа я проницаемост ь, относительная Е 3 Удельное объемное сопротивление Тангенс угла диэлектрических потерь Прочность (электрическая) Епр, МВ/м Удельная теплопроводность λ, Вт/м·ºК Допустимая рабочая температура (max), ºC 4 5 6 7 8 1,00058 1,002 1016 1015 4·10-7 10-5 3,2 8 0,07…0,6 – – 800 V , tg Ом·м 90 Жидкости Твердые материалы Масло трансформаторное Совтол Органические а) парафин головакс 2,3 1011…1013 4,7 108...1011 (2…5) ·10-3 20…35 0,2 95 0,1 15…20 – – 2,2 5 1014 1011 0,0005 0,003 20…25 10 0,2 – ≤ 50 100 4,5 1010 0,03 10…40 – 150 канифоль поливинилхлорид 2,5…3 3…5 1013 1013 0,04 0,01…0,08 10…15 15…20 – 0,09 65 65 полистирол полиэтелен полиметилметакрилат 2,5 2,3 4 1016 1014…1016 109…1011 0,0005 0,0003 5·10-2 20…35 35…60 20…35 0,9 0,29 0,15 80 90 – смола эпоксидная 3,5 1011…1013 0,01…0,08 20…80 0,2 115 в) битум компаунд КЭЦ 3 1012 0,02 5…15 0,07..0,6 18…90 4…7 1012 0,007 20 0,07…0,6 90 7 1010 0,02 13 – 300 5 5…7 1012 1013 0,02 0,03 – 90 – б) смола бакелитовая г) фенолпласт (ФАС) клей БФ-4 лак ФЛ-98 95 Окончание табл. 5.2 1 2 д) лакоткань х/б е) гетинакс А текстолит (А) бумага кабельная электрокартон (ЭВТ) 3 8 4 109 5 0,08 6 20 7 0,13 8 105 8 109 0,05…0,2 24 0,2…0,35 150 7 108 0,06 6…10 0,17 105 3,5 1011 0,035 5…10 0,13 90 2,5 107 0,05 8…90 0,17 90 91 ж) каучук бутадиеновый резина изоляц. эбонит з) фторопласт-4 фторопласт-3 Неорганические а) стекла электротех. б) стеатит (керам.) фарфор электротех. в) слюда мусковит микалекс г) сегнетокерамика ВК-1 пьезокварц д) фторидная изоляция е)(AlF асбест 3) Элементоорган. а) кремний орг. смола б) кремний орган. каучук 2,5…5 1012 0,025 35 – – 2,5…5 1013 0,01…0,03 20…30 – 60 3…3,5 1013 0,018 12…24 0,018 50 2 1016…1014 0,003 25…40 0,25 > 180 3 1016 0,01 15 0,06 – 4…16 106…1015 0,002…0,01 10…200 0,01 500 6 107…1011 0,003 20…40 2,2 1000 6,5 1012…1013 0,035 20…30 1,6 1000 7 1011…1014 0,015 50…100 0,36 500 8 1011 0,025 10…100 – 300 1700… 6000 4 108 0,18 2,5 – 1000 1014 0,0003 2,5 – 200 4 1011 ~ 0,02 ~ 200… 400 – 1000 1010 – ~2 0,18 450 4,5 1012…1013 0,01…0,03 15…25 0,09 180 3,2 1013 0,0005 32 92 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Пасынков В. В., Сорокин В. С. Материалы электронной техники: Учеб. – 5-е изд. – СПб.: Лань, 2003. – 368 с. 2. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю. В. Карицкого и др. – 5-е изд. перераб. – М.: Энергия, 1986. – Т. 1. – 308 с. 3. Справочник конструктора – приборостроителя. Проектирование. Основные нормы / В. Л. Соломахо, Р. И. Томилин, Б. В. Цитович, Л. Г. Юдовин. – Мн.: Высш. шк., 1988 – 272 с. 4. Бережной А. Н. Ситаллы и фотоситаллы. – М.: Машиностроение, 1985. – 464 с. 5. Каменев Е. И., Мясников Г. Д., Платонов М. П. Применение пластических масс: Справ. – Л.: Химия, 1985. – 448 с. 6. Лакокрасочные покрытия в машиностроении: Справ. / Под ред. М. М. Гольдберга. – М.: Машиностроение, 1974. – 576 с. 7. Справочник по пайке: Справ. / Под ред. И. Е. Петрушина. – М.: Машиностроение, 1984. – 400 с. 8. Классификатор ЕСКД. Классы 71, 72, 73, 74, 75, 76 (в отдельных книгах). – М.: Изд-во стандартов, 1986. 9. Классификатор ЕСКД. Классы 71, 72, 73, 74, 75, 76. Приложение. Алфавитно-предметный указатель. Термины и толкования. Перечень сокращенных слов. Условные обозначения. – М.: Изд-во стандартов, 1986. – 36 с. 10. Каталог корпусов интегральных микросхем / ЦКБ. Б. – М., 1990. – 164 с. 11. Резисторы: Справ. / Под ред. И. И. Четверткова и В. М. Терехова. – М.: Радиосвязь, 1991. – 196 с. 12. Конденсаторы: Сб. справочных листов / ВНИИ «Электростандарт». М., 1986, 1987, 1988. кн. 1 – 3. 13. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю. В. Корицкого и др. 3-е изд. перераб. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 728 с. 14. Белорусо Н. И., Саакэн А. Е., Яковлева А. И. Электрические кабели, провода и шнуры: Справ. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 536 с. 15. Глазер В. А. Световодная техника. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 280 с. 16. Гончаренко А. М., Карпенко В. А. Основы теории оптических волноводов. – Мн.: Наука и техника, 1983. – 237 с. 17. Пинчук Л. С., Неверов А. С. Герметизирующие полимерные материалы. – М.: Машиностроение, 1995. – 160 с. 93 18. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ. / Н. Н. Акимов, Е. П. Вашуков, В. А. Прохоренко, Ю. П. Ходоренок. – Мн.: Беларусь, 1994. – 591 с. 19. Конденсаторы: Справ. / Под ред. И. И. Четверткова и М. Н. Дьяконова. – М.: Радиосвязь, 1993. – 392 с. 20. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник / Под ред. Г. С. Кучинского. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 656 с. 21. Добромыслов Е. Р., Горячева Г. А. Подстроечные конденсаторы. – М.: Радио и связь, 1983. – 48 с. 22. Волгов В. А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. – М.: Энергия, 1967. – 544 с. 23. Радиодетали, радиокомпоненты и их расчет / Под ред. А.В. Коваля. – М.: Сов. Радио, 1977. – 368 с. 24. Фролов А. Д. Радиодетали и узлы. Учеб. пособие. – М.: Высш. шк., 1945. – 440 с. 25. Никулин Н. В., Назаров А. С. Радиоматериалы и радиокомпоненты. – М.: Высш. шк., 1981. – 221 с. 26. Гулевич А.И., Киреев А. П. Производство силовых конденсаторов. – М.: Высш. шк., 1981. – 240 с. 27. Терморезисторы: Пер. с англ. / Под ред. К.И. Мартынова. – М.: Радио и связь, 1983. – 208 с. 28. Калантров П. Л. Расчет индуктивностей. – Л.: Энергия, 1986. – 415 с. 29. Немцов М. В. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности. – М.: Энергоиздат, 1981. – 136 с. 30. Сидоров И. Н., Биннатов М. Ф., Шведова Л. Г. Индуктивные элементы радиоэлектронной аппаратуры: Справочник. – М.: Радио и связь, 1992. – 288 с. 31 Васильева Л. С. Завалина И. Н., Клинер Р. С. Катушки индуктивности связи. – М.: Связь, 1973. – 200 с. 32. Малогабаритные трансформаторы и дроссели: Справ. / И. Н. Сидоров, В. В. Мукосеев, А. А. Христинина. – М.: Радио и связь, 1985. – 416 с. 33. Рычина Т. А., Зелинский А. В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы. – М.: Радио и связь, 1989. – 368 с. 34. Злобин В. А., Муролисин Т. С., Посаелов П. В. Изделия из ферритов и магнитодиэлектриков. – М.: Сов. радио, 1972. 35. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры: Справ. / Под ред. А. Е. Оборонке. – М.: Радио и связь, 1983. – 200 с. 94 36. Мишин Д. Д. Магнитные материалы. – М.: Высш. шк., 1991. – 384 с. 37. Сергеев В. В. Магнитотвердые материалы. – М.: Высш.шк., 1980. – 224 с. 38. Глаголев Н. Н. Ферриты и магнитодиэлектрики. – М.: Высш. шк., 1983. – 64 с. 39. Балбашов А. М. Магнитные материалы для микроэлектроники. – М.: Радио и связь, 1979. – 216 с. 40. Алексеев А. Г. Магнитные эластомеры. – М.: Высш. шк., 1987. – 240 с. 41. Шефтель В. О. Полимерные материалы: Справ. – Л.: Энергоатомиздат, 1982. – 237 с. 42. Каменев Е. И. Применение пластических масс: Справ. – Л.: Энергоатомиздат, 1982. – 448 с. 43. Поляков А. А. Технология керамических радиоэлектронных материалов. – М.: Радио и связь, 1989. – 200 с. 44. Сыркин Л. Н. Пьезомагнитная керамика. – Л.: Энергоатомиздат, 1980. – 208 с. 45. Мильвидский М. Г. Полупроводниковые материалы в современной электронике. – М.: Высш. шк., 1986. – 144 с. 46. Башилов В. А. Композитные сверхпроводящие материалы волокнистого строения. – М.: Энергия, 1986. – 136 с. 47. Дрид М. Е. Технология конструкционных материалов и материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990. – 447 с. 48. Хадыкин А. М. Материалы конструкций и технология деталей: Метод. указания по курсовому и дипломному проектированию. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 1993. – 24 с. 49. Партала О. Н. Радиокомпоненты и материалы: Справ. – Киев: Радиоматор; М. КУБК-а, 1998. – 720 с. 50. ГОСТ 2.105-95. ЕСКД. Общие требования к текстовым документам. 51. ГОСТ 7.1-84. Библиографическое описание документа. Общие требования и правила составления. 52. Дж. Барфут, Дж. Тейлор. Полярные диэлектрики и их применения.: Пер. с англ. / Под ред. Л. А. Шувалова. – М.: Мир, 1981. – 528 с. 53. Травин О. В., Травина Н. Т. Материаловедение: Учеб. для вузов. – М.: Металлургия, 1989. – 384 с. 54. Аксенов А. И., Нефедов А. В. МРБ. Элементы схем бытовой аппаратуры: конденсаторы, резисторы. – М.: Радио и связь, 1995. – 326 с. 95 55. Гендин Г. С. Все о резисторах: Справ. издание. – М.: Радио и связь, 2000. – 192 с. 56. Дубровский. Резисторы: Справ. – М.: Радио и связь, 1991. – 528 с. 57. Демаков Ю. П. Радиоматериалы и радиокомпоненты: Учеб. пособие. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 1997. – 320 с. 58. Конструкционные и электротехнические материалы / Под ред. В. А. Филикова. – М.: Высш. школа, 1990. – 364 с. 59. Материалы микроэлектронной техники / Под ред. В. М. Андреева. – М.: Радио и связь, 1984. – 356 с. 60. Алексеев П. Д., Захаренко В. А., Хадыкин А. М. Материалы конструкций электронной техники: Метод. указания к лабораторным работам. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 1995. – 72 с. 61. Пасынкова В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов. – СПб.: Лань, 2003. – 408 с. 62. Internet: www.platan.ru 63. Internet: www.wieland – electric.com 64. Хадыкин А. М. Радиоматериалы и радиокомпоненты: Метод. указания. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. – 44 с. 65. Харламова Т. Е. Электроматериаловедение. Электротехнические материалы: Учеб. пособие. – СПб.: СЗПИ, 1998. – 82 с. 66. Шкаруба М. В., Тихонов С. А. Материалы и элементы электронной техники: Учеб пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. – 120 с. 96 Редактор Г.А. Солопова Компьютерная верстка – Т.А. Бурдель ИД № 06039 от 12.10.2001 г. Сводный темплан 2008 г. Подписано в печать 16.09.08. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Отпечатано на дупликаторе. Уч. изд.л. 5,75. Усл.-печ. л. 5,75. Тираж 100 экз. Заказ 579. _____________________________________________________________ Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11 Типография ОмГТУ 97 98