Электроматериаловедение. Практикум для СПО

ников при деформации, является тензочувствительность, которая представляет собой отношение относительного изменения удельного сопротивления к относительной деформации в данном направлении

dρ ( ρ / ρ) / ( l / l).

Воздействие света. Световая энергия поглощается полупроводником, вызывает появление в нем избыточного количества носителей зарядов, что приводит к возрастанию электропроводности. Увеличение электрической проводимости полупроводника под действием электромагнитного излучения называется фотопроводимостью.

Воздействие электрических полей. Электропроводность полупро-

водников зависит от напряженности электрического поля. Как видно из рис. 2.4, при низких значениях от E до Eпр выполняется закон Ома, удельная проводимость не зависит от E.

Рис. 2.4

При E ≥ Eпр начинается интенсивный рост удельной проводимости по экспоненциальному закону и заканчивается процесс разрушением структуры полупроводника.

С увеличением температуры кривая удельной проводимости смещается вверх, а наклон возрастающей части становится меньше.

Возрастание проводимости обусловлено ростом числа носителей заряда под влиянием поля. При E ≥ Eпр может появиться механизм ударной ионизации, приводящий к разрушению структуры вещества.

2.2. Измерительная установка и методика измерений

Измерение сопротивления полупроводника производится на установке, схема которой представлена на рис. 2.5.

В лабораторной работе в качестве измерителя сопротивления используется омметр, позволяющий измерить непосредственно сопротивление исследуемых образцов 2.

21

К1

К2 1

Омметр

2

Рис. 2.5

Перед проведением работы и проведением измерений необходимо включить общее напряжение стенда. Температура в термостате 1 измеряется с помощью термопары 3 и вольтметра V, шкала которого отградуирована в градусах Цельсия.

2.3. Задания к лабораторной работе

1.Изучить принцип действия лабораторной установки и порядок выполнения работы.

2.При комнатной температуре, а затем через определенный интервал температур (по заданию преподавателя) измерить сопротивление полупроводника.

3.Вычислить значения удельного сопротивления ρν и удельной проводимости полупроводника γν

ρν Rlν S , γ ρ1ν ,

где Rν – текущее значение сопротивления полупроводника, Ом; S – площадь поперечного сечения полупроводника, м2 (диаметр сечения полупроводника равен 4 мм); l = 0,002 – длина полупроводника, м.

Экспериментальные данные занести в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Экспериментальные и расчетные данные

4. Построить график зависимости ln γν = f(1/T), проанализировать его.

22

5. По результатам измерений определить ширину запрещенной зоны полупроводника

где k = 8,6 10-5 – постоянная Больцмана, эВ. 6. Сделать выводы по работе.

2.4. Контрольные вопросы

1.С точки зрения зонной теории твердого тела объяснить различие между диэлектриком, полупроводником и проводником.

2.Пояснить физический смысл энергии запрещенной зоны.

3.Какие дефекты кристаллической решетки могут быть в полупроводнике и как они участвуют в электропроводности?

4.Как изменяются концентрация и подвижность носителей зарядов в полупроводнике при изменении температуры?

5.Какие внешние факторы влияют на электрические свойства полупроводников?

6.Является ли ширина запрещенной зоны полупроводника постоянной величиной?

7.Как возникают в полупроводниках свободные носители зарядов?

8.Когда полупроводник является вырожденным?

9.Дать определение понятия «невырожденный полупроводник».

10.Когда электропроводность полупроводников является собственной, а когда примесной?

11.Справедлив ли для полупроводников закон Ома?

12.Можно ли из полупроводников получить тонкие пленки?

3.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Цель работы: исследовать влияние температуры на параметры электропроводности диэлектриков – удельную проводимость и удельное электрическое сопротивление.

Задания для подготовки к работе:

1.Охарактеризовать понятия:

поляризационный ток;

ток сквозной проводимости;

ток смещения;

ток утечки;

23

В зависимости от структуры диэлектрика носители заряда могут иметь разную природу и происхождение. В газообразных диэлектриках – это положительные и отрицательные ионы, электроны, возникающие в результате ионизации молекул газа внешними источниками ионизирующих излучений [2]. В жидких диэлектриках – это ионы, возникающие при диссоциации молекул примесей, коллоидные заряженные частицы (молионы), а в некоторых случаях и электроны (эмиссия из катода) [2]. В ионных кристаллах – это точечные дефекты кристаллической решетки – вакансии (пустые узлы) и междоузельные ионы [2]. В твердых диэлектриках с электронным механизмом проводимости – это электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне [2], в полимерных диэлектриках – электроны, ионы или молионы [8].

Для исследования процесса электропроводности собирают электрическую цепь, содержащую источник постоянного тока, диэлектрик, прибор, с помощью которого измеряют ток, протекающий через диэлектрик. Для того чтобы диэлектрик стал элементом электрической цепи, на его поверхность наносят металлические электроды [6]. Конструкция из металлических электродов, между которыми находится диэлектрик, является конденсатором. При подключении источника постоянного тока в цепи будут протекать несколько видов тока:

1) ток смещения, обусловленный зарядкой геометрической емкости конденсатора

(С0 = ε0S/h),

где S – площадь металлического электрода; h – расстояние между электродами;

2)поляризационный ток. Появившиеся на электродах заряды, движение которых обусловило ток смещения, создают электрическое поле в диэлектрике, под действием поля происходит поляризация диэлектрика – направленное смещение связанных заряженных частиц. Это направленное смещение зарядов называют поляризационным током;

3)ток сквозной проводимости (в дальнейшем электрический ток), обусловленный перемещением свободных электрических зарядов через диэлектрик под действием внешнего электрического поля.

Способность диэлектрика пропускать электрический ток характеризуется макроскопическими и микроскопическими параметрами. Макроскопические: γ – удельная проводимость, ρ – удельное электрическое сопротивление (ρ = 1/γ). Закон Ома в дифференциальной форме (j = γE) позволяет описать эти параметры

γ= j/E, ρ = E/j,

где E – напряженность электрического поля, действующего на диэлектрик; j – плотность тока, протекающего через диэлектрик.

25

Микроскопические параметры: n – концентрация зарядов в диэлектрике, q – величина заряда, k – подвижность заряда. Подвижность характеризует среднюю скорость направленного движения заряженной частицы ν при воздействии электрического поля ν = kE. Из определения плотности тока как количества электричества, проходящего за единицу времени через единичную площадку, выбранную в веществе и ориентированную перпендикулярно вектору напряженности электрического поля, следует, что

j = nqkE.

Макроскопические и микроскопические параметры характеризуют одно и то же явление и естественно, что

j = γE = nqkE

или

Выражение (3.1) определяет связь между макро- и микропараметрами процесса электропроводности диэлектрика и позволяет проводить расчетные оценки либо удельной проводимости диэлектрика, либо подвижности носителей зарядов, обусловливающих электропроводность диэлектрика.

3.2.Методика определения удельной объемной проводимости и удельного объемного сопротивления

Для определения удельной проводимости диэлектрика необходима ячейка, представляющая собой систему из трех металлических электродов, между которыми располагается испытуемый диэлектрик [6]. Через посредство электродов к диэлектрику можно подключить напряжение, т.е. воздействовать на него электрическим полем и с помощью прибора регистрировать отклик на такое воздействие. В экспериментальных установках для определения параметров электропроводности диэлектриков (γ и ρ) используют приборы мегаомметры или тераомметры. На рис. 3.1 представлены блок-схема тераомметра ЕК6-11 5 и эскиз измерительной ячейки с образцом.

Рис. 3.1

26

Плоский образец диэлектрика 4 расположен между металлическими измерительным 1 и высоковольтным 2 электродами цилиндрической формы. На верхней поверхности диэлектрика располагается электрод в форме кольца – охранный 3, который в данном случае заземлен. Если к измерительной ячейке подключить постоянное напряжение U, то через диэлектрик будет протекать электрический ток, который называют объемным (протекающим сквозь объем диэлектрика). Электрический ток, протекающий через диэлектрик, мог бы иметь составляющую – поверхностный ток (протекающий по поверхности диэлектрика между электродами 1 и 2, обусловленный загрязненностью этой поверхности), но в данном случае поверхностный ток через охранный электрод замыкается на землю и исключается из измерения.

Электрический ток, протекающий через диэлектрик, проходит и через эталонный резистор R0, вызывая на нем падение напряжения U0, которое регистрируется тераомметром. Если известны значения U, R0, U0, то можно вычислить падение напряжения на измерительной ячейке с диэлектриком Ux и ток, протекающий через диэлектрик Ix, по формулам

Ux U U0 ; Ix U0 / R0 .

А если объект (измерительная ячейка с образцом) характеризуется напряжением Ux и током Ix, то согласно закону Ома электрическое сопротивление

Rv Ux / Ix U /U0 1 R0 ,

где Rv – объемное электрическое сопротивление диэлектрика.

Поскольку U0 пропорционально Rv , регистрирующий стрелочный

прибор тераомметра ЕК6-11 проградуирован в единицах электрического сопротивления, что избавляет исследователя от лишних вычислений.

3.3.Порядок измерения электрического сопротивления диэлектрика прибором ЕК6-11

1.Испытуемый образец поместить в электродную ячейку, которая находится в термошкафу.

2.Переключатель рода работы установить в положение «УСТ.0».

3.Тумблер «СЕТЬ» на панели прибора перевести в верхнее положение (при этом должна загореться сигнальная лампочка). После 15-минутного прогрева прибор готов к работе.

4.Ручками «УСТ. 0», «ГРУБО», «ТОЧНО» установить нуль прибора.

5.Переключатель рода работы перевести в положение «ИЗМЕР. R, I» и через 60 с произвести отсчет значений сопротивления по шкале прибора. Если стрелка прибора не отклоняется или зашкаливает, то переклю-

27

чателем «ПРЕДЕЛЫ» добиться того, чтобы стрелка прибора находилась в пределах шкалы.

6.После окончания измерения переключатель рода работы перевести

вположение «УСТ. 0». В этом состоянии тераомметр готов к новым измерениям.

7.По окончании работы после выполнения п. 6 тумблер «СЕТЬ» перевести в нижнее положение.

Термошкаф, в котором находится измерительная ячейка с образцом, предназначен для проведения температурных исследований электропроводности диэлектриков при повышенных температурах. Датчиком температуры является термопара, ЭДС которой регистрируется милливольтметром. Температура образца Tc оценивается по формуле

Tc Tk m ,

где Tk – комнатная температура, С; m – градуировочный коэффициент, равный 1,43 104 С/В; – ЭДС термопары, В.

3.4. Задания к лабораторной работе

1.Изучить принцип действия установки для измерения электрического сопротивления диэлектриков.

2.Измерить объемное сопротивление диэлектрика при различных температурах.

3.Вычислить значения удельного объемного электрического сопротивления и удельной проводимости диэлектрика при соответствующих температурах по формулам

ρν = RνS/h, γν = 1/ρν,

где Rν – объемное сопротивление диэлектрика, Ом; S – площадь измерительного электрода, м2; h – толщина диэлектрика, м.

4. Экспериментальные и расчетные данные занести в табл. 3.4 Таблица 3.4

Экспериментальные и расчетные данные

5.Построить графики зависимостей ln γν = f(1/T) и ln ρν = f(1/T).

6.Проанализировать зависимости и сделать выводы по работе.

28

3.5.Контрольные вопросы и задачи

1.Нарисовать и объяснить зависимость удельной объемной проводимости твердого диэлектрика от температуры.

2.Нарисовать и объяснить зависимость удельного объемного сопротивления твердого диэлектрика от температуры.

3.Назвать типы зарядов, обуславливающих электропроводность жидких диэлектриков.

4.Нарисовать и объяснить график изменения тока через диэлектрик со временем при включении и выключении постоянного электрического поля.

5.Нарисовать и объяснить вольтамперную характеристику газообразного диэлектрика.

6.Как образуются «свободные» ионы в щелочно-галоидных кристаллах, обуславливающие собственную проводимость диэлектрика?

7.Используя модель периодических потенциальных барьеров, объяснить примесную ионную проводимость твердых диэлектриков.

8.Объяснить механизм электропроводности жидких диэлектриков.

9.Объяснить механизм электропроводности твердых диэлектриков.

10.Чем вызвана поверхностная электропроводность твердых диэлек-

триков?

11.Керамический конденсатор из материала с диэлектрической проницаемостью ε = 7 был заряжен до напряжения 1,5 кВ, после чего был отключен от источника. Через 5 мин разность потенциалов на обкладках конденсатора оказалась равной 400 В.

Определить постоянную времени саморазряда конденсатора и удельное объемное сопротивление диэлектрика. Поверхностной утечкой в расчетах пренебречь.

12.Жидкий диэлектрик (льняное масло) имеет динамическую

вязкость 55 Па с и удельное сопротивление 6,5 1014 Ом м при температуре

+20 C.

Определить удельное сопротивление диэлектрика при температуре +120 C, если известно, что вязкость жидкости при этой температуре равна

0,45 Па с.

13. Две противоположные грани кубика из диэлектрика покрыты металлом. Эти слои металла служат электродами, с помощью которых кубик подключен к источнику постоянного тока.

Определить установившийся ток через кубик, если: а) ребро кубика a = 25 мм;

б) удельное объемное сопротивление ρν = 1014 Ом м; в) удельное поверхностное сопротивление ρs = 106 Ом; г) напряжение между электродами U = 5 кВ.

29