Электротехнические материалы Теория конструктивных материалов

Элeктрoизoляциoнныe материалы прaктичeски нe прoвoдят электрический ток, чaстo иx нaзывaют, диэлeктрикaми, oблaдaют бoльшим удельным сопротивлением, пoрядкa 10/8 – 10/13 Oм.м. Oни испoльзуются для изoлирoвaния токоведущих чaстeй элeктрoустaнoвoк. Пoлупрoвoдникoвыe материалы, a тoчнee удельное сопротивление пoлупрoвoдникoв измeняeтся в oчeнь бoльшoм интeрвaлe пo срaвнeнию с диэлeктрикaми и прoвoдникaми – oт 10/-5 дo 10/8 Oм-м.

Основные эффекты в полупроводниках и их применение

С точки зрения применения в электротехнике к важнейшим относятся эффекты выпрямления, усиления (транзисторный эффект), Холла, Ганна, фотоэлектрический, термоэлектрический.

Электронно-дыцрочный p-n переход. Выпрямительными свойствами обладает лишь p-n переход и контакт полупроводника с другими металлами. p-n переход представляет собой границу, отделяющую друг от друга области с дырочной и электронной проводимостью в примесном полупроводнике. Переход должен быть непрерывным. На рисунке показан нерезкий p-n переход для разомкнутой цепи. В цепи с переменным электрическим полем p-n переход работает как выпрямитель. На рисунке показана вольт-амперная характеристика p-n перехода, которая описывается выражением

J=Js . (eqU/kT-1) ,

где Js - ток насыщения (при обратном включении p-n перехода этот ток равен обратному току); U - приложенное напряжение; q/kT=40 В-1 при комнатной температуре.
[Нерезкий р-п переход][ВАХ р-п перехода]

Наиболее часто датчики Холла изготовляют на основе селенида и теллурида ртути (HgTe,HgSe), антимонида индия (InSb) и других полупроводниковых материалов в виде тонких пленок или пластинок. С их помощью возможно измерение магнитной индукции или напряженнности магнитного поля, силы тока и мощности, а при подведении к контактам переменных напряжений - и преобразование сигналов. По измерению ЭДС Холла можно определить знак носителей заряда, рассчитать их концентрацию и подвижность.

Эффект Ганна - относится к эффектам сильного поля и заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник электрического поля высокой напряженности.

Впервые этот эффект наблюдался на арсениде галлия GaAs и фосфиде индия InP. На основе этого эффекта разработаны приборы, генерирующие в диапазоне частот до сотен гигагерц.

Фотоэлектрический эффект. При облучении полупроводников светом в них можно возбудить проводимость. Фототок с энергией h большей или равной ширине запрещенной зоны Wo переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости. Образующаяся при этом пара электрон-дырка является свободной и участвует в создании проводимости. На рисунке показана схема образования фотоносителей в собственном , донорном и акцепторном полупроводниках. Таким образом, если h<Wo - для собственных полупроводников, h<Wп - для примесных полупроводников, то появляются добавочные носители тока и проводимость повышается. Эта добавочная проводимость называется фотопроводимостью. Основная проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей тока называется темновой проводимостью. Из приведенных формул можно определить минимальную частоту о или максимальную длину волны о, при которой свет возбуждает фотопроводимость

о = c h / Wo и о = c h / Wп. [Собственный полупроводник]
[Донорный полупроводник][Акцепторный полупроводник]

Наиболее чувствительные фотосопротивления изготовляются из сернистого кадмия (CdS) и сернистого свинца (PbS). Используются и другие полупроводниковые материалы. Единственным материалом для интегральных датчиков является кремний.

Полупроводники используются в том числе и в оптоэлектронных устройствах: светодиодах, лазерах, фотодетекторах (датчиках), солнечных батареях, фильтрах.

Термо-ЭДС в полупроводниках, как и в металлах возникает под действием разности температуры. Основой преобразователей тепловой энергии в электрическую являются термоэлементы, составленные из последовательно включенных полупроводников p и n-типов. Большая термо-ЭДС полупроводников позволяет использовать их в качестве эффективных преобразователей тепловой энергии в электрическую.


По строению молекул диэлектрики делят на неполярные (нейтральные) и полярные. Нейтральные диэлектрики состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, которые до воздействия на них электрического поля не обладают электрическими свойствами. Нейтральными диэлектриками являются: полиэтилен, фторопласт-4 и др. Среди нейтральных выделяют ионные кристаллические диэлектрики (слюда, кварц и др.), в которых каждая пара ионов составляет электрически нейтральную частицу