Elektromateriali_Chastina_2_pdf

УДК 621.315.6

План ВМВ 2001 р.

Вольська Т.С., Никитенко Л.Т. Електроматеріали: Навчальний посібник для самостійної роботи студентів 1-го курсу. – Одеса: ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2004. – 92 с.

Основна увага в навчальному посібнику приділяється викладанню питань, пов’язаних з вивченням властивостей і залежностей параметрів речовин від умов їх експлуатації у галузі зв’язку та інформаційних технологій, а також вивченню фундаментальних відомостей об електротехнічних матеріалах, які в майбутньому можуть бути використані фахівцями за умовами вибору оптимальних виробничих процесів.

Посібник призначений для самостійної роботи студентів першого курсу електротехнічних і технічних вищих навчальних закладів.

Відповідальний редактор М.Т. Козаченко

Рецензент

Редактор І.В. Расщупкіна

Комп’ютерне макетування Ж.А. Гардиман

СХВАЛЕНО на засіданні кафедри МСС

і рекомендовано до друку Протокол № 9 від 5.05.2003 р.

1 НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ………………………………….....5

1.1Загальні відомості………………………………………………….....5

1.2Електропровідність напівпровідників…………………………........7

1.3Вплив зовнішніх чинників на електропровідність напівпровідників………………………………………………….....12

1.4Температурна залежність концентрації носіїв заряду…………….12

1.5Температурна залежність рухомості заряду…………………….....13

1.6Температурна залежність питомої провідності напівпровідників………………………………………………........14

1.7Вплив деформації на електропровідність напівпровідників…......16

1.8Вплив деформації на електропровідність напівпровідників…......16

1.9Вплив світла на електропровідність напівпровідників……….......17

1.10Вплив інтенсивності опромінення на фотопровідність напівпровідників……………………….........18

1.11Вплив температури на фотопровідність напівпровідників……...19

1.12Вплив напруженості електричного поля на рухомість носіїв заряду………………………………………....19

1.13Ударна іонізація в напівпровіднику…………………………........20

1.14Тунельний ефект - внутрішня ємність…………………………....20

1.15Ефект Поля. Контакт напівпровідника з металом……………......21

1.16Контакт електронного і діркового напівпровідників…………....23

1.17Прості напівпровідники…………………………………………...25

1.18Складні напівпровідники ……………………………………........30

2 ПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ………………………………………........35

2.1Класифікація провідникових матеріалів……………………….......35

2.2Природа електропровідності в металах…………………………....36

2.3Основні властивості провідникових матеріалів…………………...38

2.4Вплив температури на питомий опір металів……………………...40

2.5Вплив домішок на питомий опір металів………………………......41

2.6Опір провідника при високих частотах………………………….....44

2.7Термоелектрорушійна сила (термо-ЕРС)…………………………..44

2.8Надпровідники та кріопровідники……………………………….....45

2.9Матеріали високої надпровідності………………………………....48

2.10Сплави високого питомого опору………………………………....52

2.11Резистори…………………………………………………………....54

3.МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ…………………………………………….. 58

3.1Основні властивості магнітних матеріалів…………………..... 58

3.1.1Фізичні процеси в магнітних матеріалах……………..... 58

3.1.2Магнітні властивості матеріалів………………………... 63

1НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ

1.1Загальні відомості

Точного означення поняття “напівпровідник” не існує. Взагалі, так називають речовини, які за значенням електричної провідності займають місце поміж провідниками та діелектриками. Приблизне означення поняття “напівпровідник” ґрунтується на значенні питомої електричної провідності, яка лежить у межах від 10-6 до 108 См/м, що відповідає питомому електричному опору від 10-6 до 108 Ом·м. Але вже на перший погляд у цьому означенні є суперечність, тому що до цього діапазону значень питомого опору можуть відносити резистивні композиції суміші провідників з діелектриками, напівметали і деякі діелектрики.

Друге означення напівпровідника можна дати, користуючись класифікацією всіх речовин за даними зонової теорії (див. розділ перший). За значенням ширини забороненої зони до напівпровідників належать речовини, в яких вона становить від 0,1 до 3 еВ.

Напівпровідники відрізняються від провідників більш низькою питомою електропровідністю, що пояснюється суттєво меншою концентрацією вільних електронів – в металах вона становить 1028 м-3, тоді як напівпровідник з концентрацією 10-25 м-3 належить до виродженого і не може використовуватися за своїми призначеннями.

Друга суттєва відміна полягає в тому, що питома електропровідність напівпровідника збільшується при зростанні температури і, навпаки, зменшується при її зниженні. Це пояснюється, перш за все, зміною концентрації вільних носіїв заряду, тоді як в металах концентрація не залежить від температури. Для уточнення цієї різниці розглянемо характер зміни питомої електропровідності γ твердих тіл, за температури, яка змінюється у на-

концентрація електронів та дірок відповідно p та n;

температурний коефіцієнт питомої електропровідності та питомого опору відповідно αγ і αρ;

ширина забороненої зони Е (еВ);

енергія активації донорних та акцепторних домішок відповідно Ед і

Еа;

робота виходу електрону у електрон вольтах;

коефіцієнт дифузії електронів і дірок та інше.

Слід зауважити, що для напівпровідників у довідниках не наведено значень питомої електропровідності та питомого опору, тому що вони є показниками його властивостей лише в разі власної електропровідності, яка виявляється при температурах, що лежать за межами робочих температур. В межах робочих температур для напівпровідника мова йде про домішкову (невласну) електропровідність, яка пов’язана з властивостями напівпровідника, з характером та кількістю домішок, а тому може коливатися у межах кількох порядків.

1.2 Електропровідність напівпровідників Власна електропровідність напівпровідників

Електрони в ізольованому атомі, згідно з квантовою теорією, мають дискретні значення енергії. На кожному енергетичному рівні за принципом Паулі можуть перебувати не більше двох електронів, які повинні мати про-

ширина зони в твердому тілі не перевищує кількох електрон-вольт, тому рівні зони утворюють квазінеперервний

спектр. Рух електронів на довжині вільного пробігу пов’язаний з накопиченням енергії, якої вистачає для його переміщення у даній зоні і не виста-

поля рух дірок. Рухомість дірок може бути визначена аналогічно до рухомості електрона (1.1). Слід зауважити, що швидкість переміщення електронів і дірок, тобто їхня рухомість є неоднакові, тому що вони мають різну інерційність при русі в полі кристалічної гратки напівпровідника. Це пов’язано з тим, що вони мають різні ефективні маси і у більшості випадків m*n < m*p. Внаслідок цього електропровідність напівпровідників має слабко перевищений електронний характер.

На рис. 1.3 наведено розподіл електронів за енергіями відповідно до деякої температури Т > 0, за якої в зону провідності перейшла певна кількість електронів, залишивши у валентній зоні відповідну кількість дірок. У кожному разі збудження у власному напівпровідникові одночасно виникають два носії заряду з протилежними знаками, їхні концентрації становлять ni = pi.

Індекс і означає, що це власні носії заряду.

Для розглянутого випадку питома електропровідність напівпровідника γ складаються з електронної γn та діркової γр електропровідності, тобто

де е заряд електрона, μn і μp – відповідно рухомості електронів та дірок. На рис. 1.3, окрім зонової діаграми, наведено ймовірність розподілу

електронів для власного напівпровідника. Зображення розподілу електронів за енергіями відповідає певній температурі Т > 0, за якої в зону провідності перейшла певна кількість електронів, і їхній розподіл підпорядковується статистиці Фермі – Дірака.

Криву ймовірності рис. 1.3 обчислюють за допомогою статистики Фермі:

де Е енергія рівня, ймовірність заповнення якого визначаться;

EF – енергія еталонного рівня, на якому ймовірність заповнення дорівнює ½ і відносно якого крива ймовірності є симетрична.

Енергію EF називають рівнем Фермі, а відповідний йому потенціал

F EeF .

Слід зауважити, що в більшості випадків для власних напівпровідників у формулі (1.4) Е – EF >> kT і тому можна знехтувати одиницею в порівнянні з експоненційним членом, тоді

Аналогічно формулу можна дістати і для дірок. Статистика Фермі – Дірка може бути застосована і для вироджених напівпровідників (напівметалів), з якими можна зустрітися за достатньо високої температури (кТ велике) або за малої ширини забороненої зони.