Электротехническое материаловедение. Учебное пособие

1.4.5. Полупроводники

Понятие о полупроводниках. Классификация полупроводников. Понятия о видах электропроводности полупроводников.

Вопросы для самопроверки

1.Какие вещества называются полупроводниками?

2.Какие виды электропроводности свойственны собственным полупроводникам?

3.Как получить полупроводник с основной электронной электропроводностью?

4.Как получить полупроводник с основной дырочной электропроводностью?

5.Как зависит удельная электропроводность полупроводников от темпе-

ратуры?

6.Как влияет механическая деформация на электропроводность полупроводника?

7.Как зависит электропроводность полупроводников от частоты и интенсивности световой энергии?

8.Как влияет напряжённость электрического поля на электропроводность полупроводника?

1.4.6.Проводники

Понятие о проводниках, природа электропроводности проводников. Основные характеристики. Классификация проводниковых материалов. Понятие о сверхпроводимости проводников.

Вопросы для самопроверки

1.Какой механизм электропроводности свойственен металлам?

2.Какой механизм электропроводности свойственен электролитам?

3.В чём разница в объяснении механизма электропроводности с позиций классической электронной теории строения металлов и квантовой механики?

4.Какими параметрами характеризуются свойства проводников?

5.Чем объяснить зависимость удельной электропроводности металлов от температуры?

6.Почему удельное сопротивление металла зависит от его деформации?

7.Какие материалы относятся к материалам высокой проводимости?

8.Дайте сравнительную характеристику меди и алюминия.

9.Какие сплавы высокого сопротивления применяются в технике?

10.Что такое явление сверхпроводимости?

11.Каким материалам и при каких условиях свойственно явление сверхпроводимости?

11

1.4.7.Примерный перечень лабораторных работ

1.Определение электрической прочности газообразных и твёрдых диэлектриков.

2.Определение динамических характеристик ферромагнетиков при постоянной частоте магнитного поля.

3.Определение динамических характеристик ферромагнетиков при изменяющейся частоте магнитного поля.

12

ЧАСТЬ 2. ДИЭЛЕКТРИКИ

2.1. Основные сведения о пробое диэлектриков

Важнейшей областью использования диэлектриков в технических целях является применение их в качестве изоляционных материалов, предназначающихся для предотвращения протекания электрического тока по путям, не предусмотренным электрической схемой установки. Такое использование диэлектриков связано с их исключительно малой электропроводностью.

Так, удельная объемная электропроводность этих материалов при комнатной температуре не превышает 10-8 см/м, а удельное объемное сопротивление соответственно больше 108 Ом·м.

Такое значение электропроводности и удельного объемного сопротивления сохраняется только для определенного напряжения. Превышение этого напряжения приводит к резкому (скачкообразному) возрастанию электропроводности и уменьшению сопротивления диэлектрика.

Потеря диэлектриком изоляционных свойств под воздействием внешнего электрического поля называется пробоем.

Напряжение, при котором в диэлектрике возникает электрический про-

бой, называется пробивным или напряжением пробоя.

Пробивное напряжение обозначается Uпр. Единицей измерения пробивного напряжения в системе СИ является вольт (В). Допускается использовать в качестве единицы измерения пробивного напряжения киловольт (кВ).

Значение пробивного напряжения зависит от химического состава, структуры строения, толщины диэлектрика и воздействия ряда других факторов.

Другой важнейшей характеристикой способности диэлектриков выдерживать воздействие высоких напряжений без потери изоляционных свойств является электрическая прочность (Епр). Под электрической прочностью понимается отношение пробивного напряжения диэлектрика к его толщине:

Епр = Uhпр ,

где h — толщина диэлектрика.

Единицей измерения электрической прочности в системе СИ является В/м. В связи с тем, что использование этой единицы на практике неудобно из-за малой толщины изоляции в различных электромеханических установках и больших значений пробивных напряжений, ГОСТом допускается применение внесистемной единицы измерения, равной кВ/мм. Соотношение между этими единицами — кВ/мм = 106 В/м.

Если на диэлектрик воздействует внешнее однородное электрическое поле, то электрическая прочность представляет собой напряженность этого поля, при которой происходит пробой.

13

В зависимости от механизма развития и причин возникновения различают следующие виды пробоев: электрический, тепловой и электрохимический.

Электрический пробой связан с развитием процессов ударной и фотонной ионизации, возникающих в сильных электрических полях и приводящих к быстрому росту концентрации свободных носителей электрических зарядов к скачкообразному увеличению электрического тока в месте пробоя при превышении значения напряженности электрического поля, равного электрической прочности диэлектрика.

Тепловой пробой возникает под воздействием тепловой энергии, выделяющейся в диэлектриках за счет диэлектрических потерь или поступающей от посторонних источников тепловой энергии. Тепловая энергия вызывает уменьшение активного сопротивления диэлектриков и возрастание активного потока, приводящих к дальнейшему увеличению температуры диэлектриков с последующим их термическим разрушением.

Электрохимический пробой возникает при длительной эксплуатации диэлектриков в электрических полях и связан с изменением химического состава в результате протекающих в диэлектриках электрохимических процессов.

Более подробно каждый из видов пробоя диэлектриков рассмотрен в последующих параграфах.

2.2.Пробой газообразных диэлектриков

Вгазообразных диэлектриках пробой является электрическим и связан с развитием процессов ударной и фотонной ионизации под воздействием сильных электрических полей.

Влюбом газообразном диэлектрике содержится малое количество положительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся в хаотическом тепловом движении. Под воздействием электрического поля эти частицы начинают перемещаться либо в направлении напряженности поля (положительные ионы), либо в направлении, противоположном ей (электроны, отрицательные ионы).

При этом каждая из частиц получает добавочную энергию за счет электрического поля

(2.1)

где g — электрический заряд напряженной частицы; Uλ — разность потенциалов на длине свободного пробега заряженной частицы.

В однородном электрическом поле

где Е — напряженность однородного электрического поля; λ — длина свободного пробега частицы.

14

Таким образом, в однородном электрическом поле добавочная энергия, приобретенная частицей в результате воздействия электрического поля:

В конце пути свободного пробега заряженная частица сталкивается с нейтральной молекулой. Если при этом энергия заряженной частицы оказывается больше энергии ионизации нейтральной молекулы газообразного диэлектрика, то последняя расщепляется на электрон и положительно заряженный ион. Этот процесс получил название процесса ударной ионизации.

Таким образом, условие возникновения ударной ионизации описывается уравнением

С учетом уравнений (2.2) и (2.3) получим:

Ен g λ ≥Wи ,

а

где Uλ — ионизационный потенциал газообразного диэлектрика; Ен — начальная напряженность поля.

Ионизационный потенциал характеризует энергию ионизации диэлектрика. У различных газообразных диэлектриков он лежит в диапазоне от 4 до 25 В, что соответствует энергии ионизации от 4 до 25 эВ.

Так как λ и g для каждого из газообразных диэлектриков постоянны, то ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, называемой начальной напряженностью.

В ряде случаев столкновение заряженной частицы с нейтральной молекулой может не ионизировать последнюю, а привести ее в возбужденное состояние. Через определенный промежуток времени возбужденная молекула испускает фотон, отдавая при этом избыточную энергию. Фотон поглощается другой нейтральной молекулой, которая в этом случае ионизируется, расщепляясь на электрон и положительно заряженный ион. Такая ионизация называется фотонной. Фотонная ионизация приводит к быстрому развитию канала пробоя в газообразном промежутке.

Развитие процессов ударной и фотонной ионизации при напряженности электрического поля большей, чем начальная, приводит к резкому возрастанию количества свободных носителей электрических зарядов и возникновению двух встречных источников разноименно заряженных частиц в канале пробоя.

15

В результате пробоя пространство, занимаемое каналом пробоя, заполнено движущимися заряженными частицами газа. Такое состояние газообразного диэлектрика получило название газоразрядной плазмы.

За счет фотонной ионизации пробой газов осуществляется практически мгновенно.

Электрическая прочность газообразного диэлектрика зависит от длительности воздействия электрического поля. При кратковременном воздействии напряжение пробоя диэлектрика, выше, чем при длительном воздействии. Повышение пробивного напряжения характеризуется коэффициентом импульса:

где Uпр — пробивное напряжение при данной длительности импульса; Uпр50 — пробивное напряжение при постоянном или переменном напряжении частотой

50 Гц.

Значения коэффициента импульса находятся в диапазоне от 1 до 1,5. Электрическая прочность газообразных диэлектриков зависит от расстоя-

ния между электродами или толщины диэлектрика. Зависимость Епр= f(h) представлена на рисунке 2.1.

Eпр Uпр

Uпр

Eпр

Рис. 2.1. Зависимость электрической прочности и пробивного напряжения газообразного диэлектрика от расстояния между электродами

Из рис. 2.1 видно, что с ростом толщины диэлектрика его электрическая прочность уменьшается, а пробивное напряжение увеличивается. Это объясняется тем, что при малых расстояниях между электродами затрудняется возникновение процесса ударной ионизации. Это видно из анализа уравнения (2.5).

Решив уравнение (2.5) относительно Ен, получим:

16

Ен = gWиλ .

При малых расстояниях между электродами, когда h ≥ λ, можно записать

Из уравнения (2.7) видим, что чем меньше толщина газообразного диэлектрика, тем больше начальная напряженность электрического поля, при которой энергия движущейся заряженной частицы обеспечивает ионизацию молекулы газообразного диэлектрика и возникновение процессов ударной и фотонной ионизации.

Электрическая прочность газообразного диэлектрика зависит также и от давления газа. Эта зависимость представлена на рисунке 2.2.

Eпр

η

Рис. 2.2. Зависимость электрической прочности газа от давления

Как видно из рис. 2.2, при малых значениях давления наблюдается уменьшение электрической прочности с ростом давления. Такое явление объясняется тем, что при малых давлениях вероятность столкновения заряженной частицы с нейтральной молекулой незначительная, и затрудняется развитие процессов ударной и фотонной ионизации. С ростом давления плотность молекул газа увеличивается, что приводит к возрастанию вероятности столкновений заряженных частиц с молекулами газа и облегчает развитие процессов ударной ионизации. При сверхвысоких давлениях существенно уменьшается длина свободного пробега заряженной частицы, что, согласно уравнению (2.7), приводит к росту начальной напряженности поля.

Электрическая прочность газообразного диэлектрика существенно зависит от однородности электрического поля (рис. 2.3).

17

Uпр

Eпр

Eпр

Рис. 2.3. Зависимости электрической прочности и пробивного напряжения газообразного диэлектрика от расстояния между электродами

воднородном и неоднородном электрических полях

Воднородных электрических полях, возникающих между плоскими электродами с закругленными краями либо между сферическими электродами большого диаметра, электрическая прочность значительно выше, чем в неоднородных электрических полях между электродами типа «игла — игла», «полусфера — игла», «плоскость — игла» и т. п. Неоднородное электрическое поле возникает также между двумя полусферами, когда расстояние между ними больше радиуса сферы.

Меньшее значение электрической прочности газообразных диэлектриков

внеоднородных электрических полях по сравнению с электрической прочностью в однородных полях объясняется тем, что при одной и той же разности потенциалов между электродами напряженность поля в точках, расположенных по кратчайшему расстоянию между двумя электродами, в неоднородных полях значительно выше, чем напряженность однородного электрического поля. Следовательно, и электрический пробой газообразного диэлектрика в неоднородном электрическом поле произойдет при меньшем напряжении, приложенном к электродам, чем в однородном поле.

По-разному развивается электрический пробой в однородных и неоднородных электрических полях.

Воднородном электрическом поле при определенном значении напряжения, зависящем от температуры, давления газа и расстояния между электродами, возникает искровой разряд, переходящий в дуговой при дальнейшем росте напряжения.

Внеоднородных электрических полях вначале возникает частичный разряд в местах, где напряженность достигает максимальных значений (коронный разряд). При дальнейшем возрастании напряжения коронный разряд переходит

вискровой, а затем и в дуговой разряды.

Электрическая прочность газообразного диэлектрика зависит от полярности электродов типа «игла — плоскость», «игла — сфера».

18

При положительной полярности иглы пробой происходит при меньшем напряжении, чем при обратной полярности. Это явление объясняется тем, что ионизация газа начинается в районе кончика иглы, независимо от ее полярности, так как именно в этой области напряженность поля максимальная. При положительной полярности иглы у ее кончика возникает положительный объемный заряд из положительно заряженных ионов газа, который как бы является продолжением иглы, способствуя уменьшению длины газообразного промежутка и соответствующему уменьшению пробивного напряжения.

При отрицательной полярности иглы образовавшийся объемный положительный заряд как бы экранизирует иглу, препятствуя перемещению электронов от иглы к поверхности положительно заряженной плоскости или сферы. Наличие экрана из положительно заряженных ионов около кончика иглы и приводит к возрастанию пробивного напряжения при отрицательной полярности иглы по ср авнению с пробивным напряжением при обратной полярности иглы.

2.3.Пробой твердых диэлектриков

Втвердых диэлектриках могут возникать четыре вида пробоев:

•электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлек-

триков;

•электрический пробой макроскопически неоднородных твердых диэлектриков;

•электротепловой (тепловой) пробой;

•электрохимический пробой.

Электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлек-

триков развивается аналогично электрическому пробою в газообразных диэлектриках в результате осуществления процесса ударной ионизации, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих разогрев диэлектрика.

В связи с этим зависимости электрической прочности и пробивного напряжения твердых диэлектриков от толщины и конфигураций электродов анологичны таким же зависимостям для газообразных диэлектриков (рис. 2.1,

рис. 2.3).

Электрический пробой неоднородных диэлектриков характерен для технических диэлектриков, в структуре которых имеются поры и капилляры, заполненные газообразным диэлектриком. Чаще всего таким газообразным диэлектриком является воздух. Так как электрическая прочность воздуха значительно меньше электрической прочности твердых диэлектриков, то наличие капилляров и пор в структуре твердых диэлектриков обуславливает значительно меньшую электрическую прочность неоднородных диэлектриков по сравнению

соднородными.

Сростом толщины неоднородного твердого диэлектрика наблюдается уменьшение его электрической прочности, так как возрастает количество газовых включений.

19

Электрическая прочность неоднородных твердых диэлектриков зависит от однородности и неоднородности электрического поля. Но, в отличие от газообразных и однородных твердых диэлектриков, электрическая прочность неоднородных твердых диэлектриков может быть в неоднородном поле больше, чем в однородном. Это связано с тем, что при большей площади электродов, между которыми создается однородное поле, возрастает количество слабых мест (пор, капилляров, трещин и т. д.), приводящих к снижению электрической прочности твердого диэлектрика.

Электротепловой (тепловой) пробой связан с разогревом материала в электрическом поле за счет возрастания сквозной электропроводности и диэлектрических потерь, приводящих к потере изоляционных свойств материала. Пробивное напряжение при электротепловом пробое зависит от частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и т. п.

Установившийся температурный режим возникает тогда, когда выделение тепла в изоляционном материале равняется теплоотдаче в окружающую среду. Этот режим описывается следующим уравнением:

где U — напряжение на электродах; ω — угловая частота; с — емкость изоляционного материала; tgδ — тангенс угла диэлектрических потерь изоляционного материала; σ — коэффициент теплоотдачи; S — поверхность изоляционного материала; tраб — температура изоляционного материала; tо — температура окружающей среды.

На рисунке 2.4 построены зависимости мощности диэлектрических потерь Ра и мощности теплоотдачи Pt от температуры.

20