4.5. Электротехнический уголь

Из угля изготавливают щетки для образования скользящего контакта, электроды для прожекторов, печей и электролитических ванн. Угольный порошок используется в угольных микрофонах, при создании резисторов. Электроугольные изделия изготавливают из сажи, природного графита или антрацита. Угольные заготовки проходят процесс обжига. При высоких температурах обжига может осуществляться искусственный перевод углерода в форму графита - процесс графитирования. Обжиг обычных щеток ведут при температуре порядка 800С, а графитированных - до 2200 °С. Угольные электроды, работа которых будет протекать при высоких температурах, обжигаются также при очень высокой температуре - до 3000 °С.

Удельное сопротивление угольных электродов составляет примерно 50 Оммм²/м, а графитированных - 15 Оммм²/м. Все угольные изделия имеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления - см. рис. 4.5.

Р ис. 4.5. Зависимость удельного сопротивления угольных

электродов от температуры

5. Полупроводниковые материалы

5.1.Электрические свойства полупроводников

К полупроводникам относятся группа веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых в нормальных условиях находится между удельными сопротивлениями проводников и диэлектриков. Температурный коэффициент удельного сопротивления а у полупроводников, как и у диэлектриков, отрицательный, В обычных условиях материал полупроводников содержит небольшое число свободных электронов, так как большинство электронов связаны с атомом, т. е. находиться в валентной энергетической зоне. Другой особенностью полупроводников является малая ширина запрещенной зоны (0,72 эВ для германия, 1,12 эВ для кремния), следовательно электроны легко могут переходить из валентной зоны в зону проводимости под влиянием внешних воздействий: нагревания, облучения, механических воздействий и введения примесей. Эти воздействия увеличивают энергию валентных электронов, позволяя им оторваться от своих атомов и стать носителями электрического тока. Атомы, потерявшие электроны, превращаются в положительно заряженные ионы, заряд которых равен суммарному заряду потерянных электронов. Место на внешней орбите атома, покинутое электроном называется дыркой, которую может занять другой электрон. Дырку принято считать положительным зарядом. Кажущееся движение дырок в направлении, противоположном перемещению электронов, называют дырочным током. Электропроводность под действием движения свободных электронов называют электронной проводимостью или n-типа. Электропроводность, обусловленная дырочным током, называется дырочной электропроводностью или р-типа. Если электроны и дырки образованы атомами самого полупроводника (а не примесей), то проводимость, обусловленную ими, называют собственной. В случае собственной электропроводности полупроводника количество электронов n и количество дырок р в единице объема вещества равны.

Концентрация электронов в свободной зоне определяется выражением:

n = А е(^w/2kT),

где А - постоянный коэффициент, AW - ширина запрещенной зоны, Т - температура по Кельвину, а к - постоянная Больцмана. Таким образом, концентрация свободных зарядов чистого полупроводника тем больше, чем выше температура среды и меньше ширина запрещенной зоны.

Для увеличения n или р проводимости в чистый полупроводник вносят специальные легирующие примеси в количестве 10^-10–10^-11 по массе. Донорные примеси снабжают полупроводник избытком свободных электронов, увеличивая n проводимость. В качестве донорных примесей используют вещество, валентность которого на единицу больше валентности атомов основного полупроводника. Для германия донорной примесью служит сурьма или фосфор. Акцепторные примеси, наоборот, связывают свободные электроны, представляя собой вещество с валентностью на единицу меньшей валентности основного полупроводника. Для германия это бор, индий, алюминий.

Введение примесей (легирование) значительно увеличивает проводимость полупроводника. Проводимость, обусловленная зарядами, внесенными примесями, называется примесной проводимостью. Степень легирования зависит от мощности полупроводниковых приборов.

В полупроводнике р-типа основными носителями являются дырки, а электроны - неосновными, в полупроводнике n-типа основными носителями являются электроны. В легированном полупроводнике концентрация основных носителей на 2-3 порядка выше, чем неосновных:

Рр >> n_р и n_n >> p_n.

Здесь р_р - концентрация дырок в р-полупроводнике, n_р - концентрация электронов в р-полупроводнике, n_n - концентрация электронов в n-полупроводнике, р_n - концентрация дырок в n-полупроводнике.

Концентрация собственных носителей заряда в полупроводнике зависит от температуры. С ростом температуры за счет термогенерации собственных носителей проводимость полупроводника неуправляемо увеличивается. Концентрация примесных носителей определяется степенью легирования материала примесью.

В отсутствие внешнего электрического поля и равномерной концентрации носителей электроны и дырки находятся в хаотическом движении и ток в материале полупроводника отсутствует. Причиной упорядоченного движения носителей, т.е. электрического тока, может быть внешнее электрическое поле или неравномерная концентрация носителей заряда.

Направленное движение носителей заряда под действием электрического поля называют дрейфом, а ток - дрейфовым. Движение зарядов под действием разности концентрации носителей в соседних участках материала полупроводника называют диффузией, а ток - диффузионным. Перемещение зарядов сопровождается их столкновениями с атомом и рекомбинацией, т.е. поглощением ионом свободного электрона, сопровождающееся исчезновением пары электрон-дырка.

Носители перемещаются со средней скоростью, которая пропорциональна напряженности электрического поля:

V_cp.n = _nE, V_cp.n = _pE.

Здесь μ - подвижность. Дырки перемещаются в направлении поля, а электроны в противоположном направлении. Для германия  = 3800 см²Вс,  =1800 см²Вс, для кремния  = 1800 см²/Bс,  =500 см² Вс. Подвижность дырок для любых полупроводниковых материалов значительно ниже подвижности электронов. Подвижность зарядов у кремния меньше, чем у германия, поэтому его сопротивление электрическому току больше. Подвижность зависит от температуры, возрастая сростом температуры.

Плотность электронной и дырочной составляющих дрейфового тока:

J_дрn= q n _nЕ, J _дрn = q p _рE.

где q - заряд электрона, n - концентрация электронов, р - концентрация дырок.

Суммарная плотность дрейфового тока:

J = J_дрn + J_др.р = qE (n_n+ р_p)

В чистых полупроводниках n = р, но _n>_p, поэтому электронная составляющая дрейфового тока больше. В примесных полупроводниках дрейфовый ток определяется характером примеси: дырочный в р-полупроводниках и электронный n-полупроводниках.

Плотность составляющих диффузионного тока определяется градиентом концентрации носителей:

г де D_n - коэффициент диффузии электронов, D_p - коэффициент диффузии дырок. Коэффициент диффузии равен числу носителей заряда, а диффузионных за 1 с через площадь 1 см² при единичном градиенте концентрации. Коэффициент диффузии связан с подвижностью носителей заряда соотношением Эйнштейна:

D =_т

где _т - тепловой потенциал. Тепловой потенциал зависит от температуры

_т = кT/q,

где к - постоянный коэффициент для данного материала, Т - температура, а q - заряд электрона. Таким образом, величина диффузионного тока в полупроводнике также зависит от температуры материала.

Рис. 5.1. Зависимость удельной проводимости полупроводника от температуры при различных концентрациях примесей

С повышением температуры проводимость всех полупроводников возрастает тем интенсивнее, чем больше донорной или акцепторной примеси введено в полупроводник - рис. 5.1. При этом на низких температурах электропроводность полу-проводника определяется в основном примесной проводимостью, а в области высоких температур – собственной проводимостью в результате интен-сивной термогенерации носителей. При температуре абсолютного нуля электроны не обладают подвижностью, поэтому полупроводники становятся диэлектриками. Температурный коэффициент удельного сопротивления полупроводников не постоянен и сростом температуры уменьшается.

Электропроводность полупроводников зависит от напряженности электрического поля. На рис. 5.2. показаны кривые зависимости удельной проводимости  от напряженности поля Е при различных температурах. При низких значениях Е (до некоторого значения Ек) удельное сопротивление почти постоянно и в материале соблюдается закон Ома. При более высоких Е начинается прогрессивный рост у по экспоненциальному закону, и приводящий к разрушению структуры полупроводника - пробою:

г де ₀ - удельная проводимость при Е<Ек,  - коэффициент, характеризующий длинный полупроводник.

Электропроводность полупроводника может увеличиваться под влиянием освещения, так как энергия квантов света достаточна для переброса электронов через запрещенную зону, (рис. 5.3.). Фотопроводимость является функцией частоты излучения и зависит от температуры окружающей среды, (рис. 5.4.). Понижение температуры увеличивает чувствительность полупроводников к освещению, так как при этом ослабляется мешающее влияние терморегуляции.

Электропроводность полупроводников изменяется от деформации вследствие изменения междуатомных расстояний, что приводит к изменению концентрации и подвижности носителей. Величиной, характеризующей изменение электрического сопротивления образца полупроводника под воздействием деформации, является тензочувствительность, представляющая собой отношение относительного изменения удельного сопротивления к относительной деформации, например, удлинению