Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основные физические процессы в проводниках, полупроводниках и диэлектриках. Учебное пособие
.pdf
81
,
.
..
пр
имппр
U
U
(3.40)
где U
– пробивное напряжение при импульсном воздействии;
np.имп
Uпр – пробивное напряжение при длительном воздействии.
Коэффициент импульса газов доходит до 2.
3.11.3 Пробой газа в неоднородном поле. Неоднородное поле образуется
между двумя иглами, иглой и плоскостью, сферами при расстоянии между ними
больше их диаметров. При пробое в неоднородном поле сначала возникает
коронный разряд в местах, где напряженность поля достигает критических
значений, при возрастании напряжения коронный разряд переходит в искровой и
далее в дуговой.
Пробивное напряжение газов существенно снижается в неоднородных полях.
Например, для воздуха при d=1 см от 30 кВ до 9 кВ.
В неоднородном поле на Uпр влияет также полярность электродов. Так, для
электродов с малым радиусом кривизны Uпр при положительной полярности
оказываются ниже, чем при отрицательной. Это связано с образованием
положительного объемного заряда у острия в результате развития коронного
разряда, что приводит к возрастанию напряженности поля в остальной части
промежутка.
3.12 Пробой жидких диэлектриков
3.12.1 Механизм пробоя жидких диэлектриков. Жидкие диэлектрики
отличаются более высокими значениями электрической прочности, чем газы в
нормальных условиях. Повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика
по сравнению с газообразным обусловлена значительно меньшей длиной
свободного пробега электронов
В максимально очищенных от примесей жидкостях при высоких значениях
напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из
82
металлических электродов и разрушение молекул самой жидкости за счет
соударений с заряженными частицами, как и для газов.
Пробой технически чистых жидкостей объясняют частичным перегревом
жидкости и вскипанием ее в местах наибольшего количества примесей, которое
приводит к образованию газового мостика между электродами.
3.12.2 Факторы, влияющие на пробой жидких диэлектриков.
1) Давление. Электрическая прочность жидкостей зависит от давления
достаточно слабо (Е ~ p
1/6-1/12
). Иногда эту зависимость представляют в виде кривой
с насыщением.
2) Температура. Зависимость от температуры зачастую имеет достаточно
сложный вид. Для чистых жидкостей, как правило, наблюдаются три области
зависимостей: при низких температурах электрическая прочность уменьшается по
мере роста температуры, затем очень слабо меняется и вблизи температуры кипения
опять заметно уменьшается.
3) Расстояние между электродами. При малых зазорах пробивная
напряженность поля резко нарастает с уменьшением зазора. Согласно
экспериментальным данным в микронных зазорах пробивная напряженность
доходит до 10 МВ/см.
4) Примеси. Увеличение количества таких примесей, как механические
твердые частицы, пузырьки, примеси, увеличивающие электропроводность
приводит к уменьшению электрической прочности. Влияние примесей в меньшей
степени сказывается при пробое жидких диэлектриков импульсами.
5) Характера воздействия. Для очищенных жидкостей коэффициент импульса
не превышает трех раз. Импульсная прочность загрязненных жидких диэлектриков в
пять – семь раз выше электрической прочности при длительном воздействии
напряжения.
6) Частота. Пробой жидкости при радиочастотах обусловлен ее разогревом за
счет диэлектрических потерь, что может приводить к термическому разрушению
жидкости. Этим объясняется понижение значений напряженности поля для жидких
диэлектриков при радиочастотах по сравнению с промышленной частотой.
83
3.13 Пробой твердых диэлектриков
У твердых диэлектриков наблюдаются три основных механизма пробоя:
электрический, тепловой и электрохимический.
Пробой одного и того же материала может происходить по тому или иному из
указанных механизмов в зависимости от:
а) характера электрического поля - постоянного или переменного,
импульсного, низкой или высокой частоты;
б) времени воздействия напряжения;
в) наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор;
г) толщины материала;
д) условий охлаждения.
3.13.1 Электрический пробой. Этот вид пробоя у однородных твердых
диэлектриков характеризуется весьма быстрым развитием. Чисто электрический
пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и
диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала.
По своей природе электрический пробой – чисто электронный процесс,
заключающийся том, что из немногих начальных электронов в твердом теле
создается электронная лавина в результате процесса ударной ионизации.
Электрический пробой неоднородных твердых диэлектриков в подавляющем
большинстве случаев вызывается ионизацией газовых включений, однако, он может
быть обусловлен и другими инородными включениями, имеющимися в материале.
Так же, как и электрический пробой однородного диэлектрика, он развивается
весьма быстро. Значения электрической прочности неоднородных диэлектриков,
наблюдающиеся во внешнем однородном и неоднородном полях, как правило, не
высоки и мало отличаются друг от друга.
3.13.2 Тепловой пробой. Тепловой пробой возникает в том случае, когда
количество тепла, выделяющегося в диэлектрике за счет диэлектрических потерь,
превышает количество тепла, которое может рассеиваться в данных условиях; при
этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный
84
характер.
0
tgf
h
КUпр
Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом
поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр.
Пробивное напряжение при тепловом пробое по упрощенной методике равно
, (3.41)
где К — числовой коэффициент, равный 1,15·10
5
, если все величины, имеющие
размерности, выражены в единицах СИ;
σ – коэффициент теплопередачи от диэлектрика в окружающую среду;
h – толщина диэлектрика;
f – частота;
tgδ0 – тангенс угла диэлектрических потерь при температуре окружающей
среды;
ε – относительная диэлектрическая проницаемость;
α – температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь.
Полученное выражение показывает, что напряжение теплового пробоя будет
выше, если условия теплоотвода лучше и диэлектрик толще; оно будет меньше при
высоких частотах, больших коэффициенте диэлектрических потерь и
температурном коэффициенте тангенса угла потерь. Кроме того, пробивное
напряжение при тепловом пробое зависит от нагревостойкости материала.
3.13.3 Электрохимический пробой. Электрохимический пробой
электротехнических материалов имеет существенное значение при повышенных
температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при
постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале
развиваются процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления
изоляции (электрохимическое старение). Кроме того, электрохимический пробой
может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала
85
происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и изменением
химического состава материала
Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время.
Электрохимический пробой зависит от: химического строения материала, материала
электродов.
3. 14 Контрольные вопросы
1 Что такое поляризация?
2 Какие механизмы поляризации относят к мгновенным и почему?
3 Какие механизмы поляризации связаны с потерей энергии?
4 Чем отличаются линейные диэлектрики от нелинейных?
5 Что понимают под полярными и неполярными диэлектриками?
6 Что такое сопротивление изоляции?
7 Пояснить зависимость тока через диэлектрик от времени.
8 Дать понятие удельного объемного и удельного поверхностного
сопротивления.
9 Каков механизм электропроводности в газообразных, жидких и твердых
диэлектрических материалах?
10 Как влияет влажность на удельную проводимость твердых диэлектриков?
11 Как снизить удельную поверхностную электропроводность твердых
диэлектриков?
12 Что является источником потерь в диэлектриках в постоянном и
переменном полях?
13 Изобразить эквивалентную схему диэлектрика с потерями и их фазовые
диаграммы.
14 Записать выражения тангенса диэлектрических потерь для
последовательной и параллельной эквивалентных схем.
15 Перечислить виды диэлектрических потерь. Чем обусловлен каждый вид?
86
16 Какие потери наблюдаются в газообразных, жидких и твердых
диэлектриках?
17 Дать определение пробоя диэлектрика.
18 Пояснить механизмы пробоя газов.
19 Какие механизмы пробоя наблюдаются в твердых диэлектриках?
20 Что такое тепловой пробой?
87
4 Характеристика и основные свойства полупроводников
4.1
Электропроводность полупроводников
К полупроводникам относится большое количество твердых кристаллических
веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при
нормальной температуре находится между значениями удельных сопротивлений
проводников и диэлектриков (10-6 – 108 Ом·м). По ширине запрещенной зоны к
полупроводникам относят вещества, ширина запрещенной зоны которых лежит в
диапазоне 0.1 – 3.0 эВ. Ширина запрещенной зоны элементарных полупроводников:
Кремний 1.12, Германий 0.72, Фосфор 1.5, Мышьяк 1.2 эВ.
Удельная проводимость полупроводников в сильной степени зависит от вида
и количества содержащихся в них примесей и дефектов. Для них характерна
чувствительность к свету, электрическому и магнитному полю, радиационному
воздействию, давлению и др.
В зависимости от степени чистоты полупроводники подразделяются на
собственные и примесные.
4.1.1 Собственные полупроводники. Собственный полупроводник это такой, у
которого электроны в зону свободных энергетических уровней могут поступать только
из валентной зоны. При температуре 0 К валентная зона такого полупроводника
полностью заполнена электронами. А зона проводимости свободна. Электроны не могут
в таких условиях перейти в зону проводимости, т.е. полупроводник ведет себя как
диэлектрик. При температурах отличных от 0 К часть электронов может преодолеть
запрещенную зону и перейти в зону проводимости. На рисунке 4.1 показаны
энергетическая диаграмма и распределение электронов для собственного
полупроводника при температуре Т > 0 К, при которой в зону проводимости перешло
некоторое количество электронов.
В собственном полупроводнике каждый переход электрона в зону
проводимости сопровождается образованием дырки в валентной зоне. Благодаря
дыркам электроны валентной зоны также принимают участие в процессе
88
электропроводности за счет эстафетных переходов под действием электрического
Рисунок 4.1 – Энергетическая диаграмма и функция распределения
электронов для собственного полупроводника при Т > 0 К
поля на более высокие освободившиеся энергетические уровни. Совокупное
поведение электронов валентной зоны можно представить как движение дырок,
обладающих положительным зарядом и некоторой эффективной массой.
Чем выше температура и меньше ширина запрещенной зоны, тем выше
скорость тепловой генерации носителей заряда (электронов и дырок). Одновременно
с генерацией в полупроводнике непрерывно идет и обратный процесс –
рекомбинация носителей заряда, т. е. возвращение электронов в валентную зону с
исчезновением пары носителей заряда. В результате протекания двух
конкурирующих процессов в полупроводнике при любой температуре
устанавливается некоторая равновесная концентрация электронов n0 и дырок р0.
Специфика собственного полупроводника состоит в том, что в нем равновесная
концентрация электронов ni равна равновесной концентрации дырок рi. Индекс i
означает, что это собственные носители зарядов.
ni=pi;; ni+pi=2ni.
(4.1)
89
Как отмечалось, распределение электронов по энергиям в твердом теле в
.
1
1
)(
kT
ЭЭ
п
F
e
ЭP
,
1
1
)(
kT
ЭЭ
р
F
e
ЭP
,)(
kT
ЭЭ
n
F
eЭP
.)(
kT
ЭЭ
p
F
eЭP
общем случае подчиняется статистике Ферми — Дирака. При этом вероятность
нахождения электрона на уровне с энергией Э определяется функцией (4.2).
(4.2)
Любой энергетический уровень может либо быть занят электроном, либо
оставаться свободным (занят дыркой). Сумма вероятностей этих двух событий
должна быть равна единице:
Р
(Э)+Р
п
(Э)=1. (4.3)
р
Тогда вероятность заполнения энергетического уровня дыркой
(4.4)
где Э
– уровень Ферми.
F
Функция вероятности для дырок совершенно аналогична функции
вероятности для электронов. Различие состоит лишь в том, что для дырок энергия
возрастает при движении вниз от уровня Ферми, т. е. чем «глубже» находится
дырка, тем больше ее энергия.
В отличие от металлов, в большинстве случаев для полупроводников в
выражении (4.2 и 4.4) Э – ЭF >> kT и можно пренебречь единицей по сравнению с
экспоненциальным членом в этом выражении. Тогда:
(4.5)
Сделанное допущение означает переход от квантового распределения Ферми –
Дирака к классической статистике Максвелла – Больцмана. Правомерность этого
допущения относится к так называемым невырожденным полупроводникам
90
Статистика Ферми — Дирака применима к вырожденным полупроводникам
.2
kT
ЭЭ
Ci
FС
eNn
,2
kT
ЭЭ
Вi
FВ
Nр
.ln
22
C
B
ВС
F
N
N
kT
ЭЭ
Э
(полуметаллам).
С вырожденными собственными полупроводниками в практике можно
встретиться:
а) при достаточно высокой температуре (kT велико);
б) при малой ширине запрещенной зоны самого полупроводника (близкой к
kT).
В результате процессов возбуждения и рекомбинации при любой температуре
тела устанавливается равновесная концентрация возбужденных носителей
электронов:
(4.6)
дырок:
(4.7)
где NС — число уровней единицы объема полупроводника в зоне проводимости;
NB — то же, в валентной зоне;
ЭВ – энергия «потолка» валентной зоны;
ЭС – энергия «дна» зоны проводимости;
ЭF – уровень Ферми.
Коэффициент 2 означает, что на каждом уровне могут находиться два
электрона.
Подставим выражения (4.6.) и (4.7) в (4.1), отсюда путем логарифмирования
легко найти положение уровня Ферми.
(4.8)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]