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.

Собственные и примесные полупроводники,типы носителей заряда. Собственная проводимость.

Свободными носителями заряда в полупроводниках как правило, являются электроны, возникающие в результате ионизации атомов самого полупроводника (собственная проводимость) или атома примеси (примесная проводимость). В некоторых полупроводниках носителями заряда могут быть ионы. На рисунке показана атомная модель кремния и энергетическая диаграмма собственного полупроводника, в котрором происходит процесс генерации носителей заряда. При абсолютном нуле зона проводимости пустая, как у диэлектриков, а уровни валентной зоны полностью заполнены. Под действием избыточной энергии Wo , появляющейся за счет температуры, облучения, сильных электрических полей и т.д., некоторая часть электронов валентной зоны переходит в зону проводимости. Энергия Wo в случае беспримесного полупроводника, равна ширине запрещенной зоны и называется энергией активации. В валентной зоне остается свободное энергетическое состояние, называемое дыркой, имеющей единичный положительный заряд.

[Атомная модель кремния][Энергетическая диаграмма]

[Процессы в полупроводниках]При отсутствии электрического поля дырка, как и электрон, будет совершать хаотические колебания, при этом происходят и обратные переходы электронов из зоны проводимости на свободные уровни валентной зоны (рекомбинация). Эти процессы условно показаны на рисунке .

Электропроводность, возникающая под действием электрического поля за счет движения электронов и в противоположном напаравлении такого же колическства дырок, называется собственной. В удельную проводимость полупроводника дают вклад носители двух типов - электроны и дырки:

=e(n.n+p.p), где

n и n концентрация и подвижность электронов,

p и p концентрация и подвижность дырок.

Для собственного полупроводника концентрация носителей определяется шириной запрещенной зоны и значением температуры по уравнению Больцмана

n=const EXP(- Wo/2kT), 1/м3

то есть при 0< kT <Wo переброс через запрещенную зону возможен. В собственном полупроводнике концентрация электронов ni равна концентрации дырок pi, ni = pi , ni + pi = 2ni.

Подвижность носитнелей заряда представляет скорость, приобретаемую свободными электронами или ионами в электрическом поле единичной напряженности

=V/E , м2/(В . с)

Подвижность дырок существенно меньше, чем подвижность электронов. Подвижность электронов и дырок в некоторых полупроводниках показана в таблице.

ПолупроводникиПодвижность электронов м2/(В.с)Подвижность дырок м2/(В.с)
Ge0.3800.180
Si0.1350.050
GaAs0.8200.040
InAs3.0000.020
InSb7.0000.400

Наибольшая подвижность была обнаружена в антимониде индия InSb и в арсениде индия InAs.

Примесная проводимость. Поставка электронов в зону проводимости и дырок в валентную зону может быть за счет примесей, котроые могут ионизоваться уже при низкой температуре. Энергия их активации значительно меньше энергии, необходимой для ионизации основных атомов вещества. Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, занимают уровни в запретной зоне вблизи дна зоны проводимости. Они называются донорными. Приммеси, захватывающие электроны из зоны проводимости, располагаются на уровнях в запретной зоне вблизи потолка валентной зоны и называются акцепторными. На рисунке показаны энергетические диаграммы полупроводника, содержащего донорные и акцепторные примеси.

Примеси с энергией Wo<0.1 эВ являются оптимальными. Их относят к "мелким" примесям. Мелкие уровни определяют электропроводность полупроводников в диапазоне температур 200-400 К, "глубокие" примеси ионизуются при повышенных температурах. Глубокие примеси, влияя на процессы рекомбинации, определяют фотоэлектрические свойства полупроводников. С помощью глубоких примесей можно компенсировать мелкие [Примесные полупроводники]

и получить материал с высоким удельным сопротивлением. Например, глубокими акцепторами можно полностью компенсировать влияние мелких донорных примесей.

В примесном полупроводнике взаимосвязь между количеством электронов и дырок подчиняется закону действующих масс n . p=ni2, где ni собственная концентрация. Таким образом, чем больше вводится электронов, тем меньше концентрация дырок. На рисунке на энергетической диаграмме (по Ш.Я.Коровскому) показаны донорные и акцепторные уровни различных примесей в германии и кремнии.

[Энергетическая диаграмма по Ш.Я.Коровскому]


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