Материаловедение(лекции)

Арсенид галлия среди соединений занимает особое положение. Большая ширина запрещенной зоны (1,4 эВ), высокая подвижность электронов (0,85 м2/В·с) позволяют создавать на его основе прибо$ ры, работающие при высоких температурах и высоких частотах.

Первым полупроводником являлся GaAs, на котором в 1962 г. был создан инжекционный лазер. Он используется для изготовле$ ния светодиодов, туннельных диодов, диодов Ганна, транзисторов, солнечных батарей и других приборов. Для изготовления детекторов в инфракрасной области спектра, датчиков Холла, термоэлектричес$ ких генераторов, тензометров применяется антимонид индия InSb, имеющий очень малую ширину запрещенной зоны (0,17 эВ) и очень высокую подвижность электронов (7,7 м2/В·с).

Широкое применение в серийном производстве светодиодов нашел фосфид галлия GaP, имеющий большую ширину запрещенной зоны (2,25 эВ). В отличие от других соединений группы чрезвычайно вы$ сокой чувствительностью к механическим напряжениям обладает антимонид галлия GaSb. Удельное сопротивление GaSb увеличива$ ется в 2 раза при воздействии давления 4·108 Па. При таком же дав$ лении, приложенном к кристаллам GaAs и IпР, их удельное сопро$ тивление меняется лишь на 3 %. Благодаря высокой чувствительно$ сти к деформациям антимонид галлия используют при изготовлении тензометров.

К полупроводниковым соединениям AIIBVI относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды, селе$ ниды и теллуриды.

Технология выращивания монокристаллов соединений AIIBVI раз$ работана гораздо менее полно, чем технология полупроводников типа AIIIBV. Широкозонные полупроводники AIIBVI представляют собой в технологическом отношении трудные объекты, так как обладают высокими температурами плавления и высокими давлениями диссо$ циации в точке плавления. Выращивание таких материалов в боль$ шинстве случаев осуществляется перекристаллизацией предваритель$ но синтезированного соединения через паровую фазу в запаянных кварцевых ампулах.

Применяют соединения AIIBVI в большинстве случаев для созда$ ния промышленных люминофоров, фоторезисторов, высокочувстви$ тельных датчиков Холла и приемников далекого инфракрасного из$ лучения.

Среди полупроводниковых соединений типа AIIBVI наиболее изу$ ченными являются халькогениды свинца: PbS, PbSe, PbTe, сульфид, селенид и теллурид свинца. Эти соединения являются узкозонными

71

полупроводниками. Халькогениды свинца используют для изготов$ ления фоторезисторов в инфракрасной технике, инфракрасных лазе$ ров, тензометров и термогенераторов, работающих в интервале тем$ ператур от комнатной до 600 °С.

5.4. Диэлектрики

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в элект$ рическом поле. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом про$ исходит разделение центров положительного и отрицательного за$ рядов, т. е. поляризация. Диэлектрики содержат и свободные заря$ ды, которые перемещаясь в электрическом поле, обусловливают элек$ тропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэ$ лектрике невелико, поэтому ток мал.

Используемые в качестве изоляционных материалов диэлектри$ ки называют пассивными. Существуют активные диэлектрики, па$ раметры которых можно регулировать, изменяя напряженность элек$ трического поля, температуру, механические напряжения.

По химическому составу их разделяют на органические, представ$ ляющие собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, титана и других элемен$ тов; неорганические, не содержащие в своем составе углерода.

Из многообразия свойств диэлектриков, определяющих их тех$ ническое применение, основными являются: электропроводность, поляризация и диэлектрические потери, электрическая прочность и электрическое старение.

Электропроводность диэлектриков. Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называется сквозным током утечки. В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле, могут быть ионы (по$ ложительные и отрицательные), электроны и электронные вакан$ сии (дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках 3...7 эВ, энергию, достаточную для перехода в зону проводимости электроны могут приобрести в результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В сильных полях возможна ин$ жекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из металличес$ ких электродов; возможно образование свободных зарядов (ионов и

72

электронов) в результате ударной ионизации, когда энергия свобод$ ных зарядов достаточна для ионизации атомов при соударении.

Для твердых диэлектриков характерной является ионная элект$ ропроводность. При нагревании или освещении, действии радиации, сильного электрического поля сначала ионизируются содержащиеся в таких диэлектриках дефекты и примеси. Образовавшиеся таким образом ионы определяют низкотемпературную примесную область электропроводности диэлектрика.

При более интенсивном воздействии на диэлектрик ионизируют$ ся основные частицы материала. Удельная проводимость в этом слу$ чае изменяется с ростом температуры с большей скоростью, так как число ионов, образовавшихся при ионизации основных частиц, боль$ ше, чем при ионизации дефектов и примесей. Энергия активации ос$ новных частиц больше, эта область электропроводности называется высокотемпературной собственной.

Поверхностная электропроводность диэлектриков определяет$ ся способностью поверхности материала адсорбировать загрязня$ ющие компоненты, в частности влагу, содержащуюся в окружаю$ щей атмосфере. Хорошо увлажняются полярные диэлектрики, их называют гидрофильными в отличие от гидрофобных, которые не смачиваются водой. Гидрофобными являются неполярные диэлек$ трики. Тонкий слой влаги на поверхности снижает поверхностное сопротивление.

Диэлектрическая проницаемость и поляризованность.На рис. 35 изображены два плоских конденсатора, площадь электродов кото$ рых S, а расстояние между ними h. В конденсаторе (рис. 35, а) между электродами вакуум, в конденсаторе (рис. 35, б) – диэлектрик. Если электрическое напряжение на электродах U, то напряженность элект$ рического поляE= U/ h. Электрический заряд, накопленный в конден$ саторе с вакуумом, называется свободным зарядом Q0 (на рис. 35, а – квадраты).

В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлект$ рик, связанные положительные и отрицательные заряды смещают$ ся. В результате образуются электрические диполи с электрическим моментом: m = ql, где q – суммарный положительный (и численно равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл; l – расстояние меж$ ду центрами зарядов, плечо диполя, м.

Для компенсации поляризационных зарядов источником элект$ рическогонапряжениясоздаетсядополнительныйсвязанныйзарядQд. Суммарный полный заряд в конденсаторе с диэлектриком: Q = Q0+ + Qд = rQ0, где r – относительная диэлектрическая проницаемость.

73

U U

Рис. 35

Электрическая емкость конденсатора с вакуумом между электро$ дами:

С0 = Q0/U.

Емкость этого конденсатора с диэлектриком между электродами:

C = Q/U.

Из этих формул следует, что r = С/С0 – отношению емкости кон$ денсатора с диэлектриком к емкости того же конденсатора, где меж$ ду электродами вакуум.

Емкость плоского конденсатора: С= 0 rS/h, где 0 = 8,85·10–12 Ф/м – электрическая постоянная. Произведение 0 r = , называется абсо$ лютной диэлектрической проницаемостью.

Поляризованное состояние диэлектрика характеризуется так$ же электрическим моментом единицы объема, поляризованностью

Р(Кл/м2), которая связана с диэлектрической проницаемостью

Р= 0( r –1)Е. Поляризованность является векторной величиной.

Поляризация диэлектриков

Принято различать упругую (быструю, нерелаксационную) и не$ упругую (медленную, релаксационную) поляризации. Упругая по$ ляризация завершается мгновенно за время t, намного меньшее по$ лупериода приложенного напряжения. Поэтому процесс быстрой поляризации создает в диэлектрике только реактивный ток. К та$ ким быстрым поляризациям относятся электронная (завершающая$ ся за время 10–16...10–13 с) и ионная упругая (завершающаяся за вре$ мя 10–14...10–13 с).

74

Электронная поляризация. В электрическом поле в атомах, ионах или молекулах деформируются электронные оболочки. Смещение электронов происходит на малые расстояния (10–13 м) в пределах своих атомов и молекул. Такая поляризация происходит у всех ато$ мов и молекул независимо от их агрегатного состояния и существо$ вания в них других видов поляризации.

На рис. 36, а схематически изображены деформации в электричес$ ком поле электронной оболочки атома водорода.

a) E=0 б) E=0 E 0 в) E=0

Диэлектрики, у которых имеет место только электронная поля$ ризация, называются неполярными диэлектриками. В молекулах неполярных диэлектриков центры положительного и отрицательно$ го зарядов совпадают, поэтому такие молекулы неполярны. Непо$ лярными диэлектриками являются: газы – гелий, водород, азот, ме$ тан; жидкости – бензол, четыреххлористый углерод; твердые – ал$ маз, полиэтилен, фторопласт$4, парафин.

Значение диэлектрической проницаемости газообразных диэлек$ триков мало отдичается от 1, а для неполярных жидких и твердых диэлектриков не превышает 2,5. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков с ростом температуры уменьшается не$ значительно и не изменяется с ростом частоты приложенного напря$ жения до 1012 ... 1013 Гц. На рис. 37 приведена зависимость диэлек$

75

риках происходит смещение электронных оболочек в каждом ионе – электронная поляризация. Смещаются относительно друг друга под$ решетки из положительных и отрицательных ионов, т. е. происхо$ дит упругая ионная поляризация (рис. 36, б). Это смещение приво$ дит к появлению дополнительного электрического момента, увели$ чивающего поляризованность, а, следовательно, и диэлектрическую проницаемость. Ионная поляризация не зависит от частоты прило$ женного напряжения до 1012...1013 Гц. Диэлектрическая проницае$ мость ионных кристаллов с ростом температуры увеличивается, так как тепловое расширение приводит к ослаблению сил связи между ионами и поэтому к увеличению их смещения в электрическом поле.

Неупругие поляризации

К неупругим относится дипольная поляризация, которая наблю$ дается в полярных газообразных и жидких диэлектриках. Поляр$ ные диэлектрики построены из полярных молекул, в которых цент$ ры положительного и отрицательных зарядов не совпадают. Поляр$ ная молекула имеет собственный электрический момент (дипольный момент). Из полярных молекул состоят газообразные аммиак NH3, пары воды и спиртов. Полярными жидкостями являются вода, хлор$ бензол C6H5Cl, нитробензол C6H5NO2. В электрическом поле в таких молекулах смещаются электронные оболочки атомов – происходит электронная и дипольная поляризации (дипольные моменты моле$ кул ориентируются по полю). В твердых полярных диэлектриках процесс дипольной поляризации состоит в деформации участков – звеньев, сегментов молекул или ориентация отдельных полярных групп молекул.

Для ориентации диполя требуется время, называемое временем релаксации , которое прямо пропорционально вязкости диэлектри$ ка и обратно пропорционально температуре. При увеличении темпе$ ратуры вязкость диэлектрика экспоненциально уменьшается, поэто$ му уменьшается и . В этой области температур r с ростом темпера$ туры увеличивается (рис. 38, а, участок б–в). Уменьшение r на уча$ стке в–г вызывается разориентацией полярных молекул в результа$ те теплового движения; на участке а–б – уменьшением плотности.

Если Т/2 < , то электрические моменты полярных молекул не ус$ певают ориентироваться в электрическом поле и дипольная поляри$ зация уменьшается. Поэтому r полярного диэлектрика уменьшает$ ся (рис. 38, б). В зависимости от строения диэлектрика и внешних условий время релаксации дипольной поляризации изменяется в широких пределах (от 10–8 до 10–1 с). При ориентации в электричес$

76

Рис. 38

ком поле диполи преодолевают межмолекулярные силы взаимодей$ ствия, поворачиваются с “трением”; в этой области температур ди$ польная поляризация происходит с потерями.

Ионно релаксационная поляризация. Используемые в технике твердые диэлектрики могут иметь неплотную упаковку объема час$ тицами, дефекты кристаллической решетки – вакансии. Перемеще$ ние ионов в электрическом поле становится направленным. В резуль$ тате возникает различие в расположении центров положительного и отрицательного зарядов, т. е. появляется электрический момент. Такой процесс называется ионно$релаксационной поляризацией. С ростом температуры увеличивается поляризованность и диэлектри$ ческая проницаемость.

Миграционная поляризация. Электроизоляционные материалы могут быть неоднородными с отличающимися значениями удельной электрической проводимости и диэлектрической проницаемости. Образуются дополнительные заряды на границах блоков, зерен. Мо$ гут иметь место такие слабо связанные ионы, которые напрвляются к электродам и там локализуются, в результате около электродов образуется объемный заряд, обусловливающий электрический мо$ мент. Такую поляризацию называют объемно$зарядовой или высо$ ковольтной поляризацией. Процессы миграционной поляризации завершаются за 10–3...1 с.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация. Доменная поля ризация. Сегнетоэлектрики. Характерные для сегнетоэлектриков свойства впервые были обнаружены у сегнетовой соли, поэтому сег$ нетоэлектриками стали называть вещества, свойства которых по$ добны свойствам сегнетовой соли.

В сегнетоэлектриках даже в отсутствии электрического поля на$ блюдается самопроизвольное смещение частиц$ионов в ионных кри$ сталлах или полярных радикалов молекул, которое приводит к не$ совпадению положительного и отрицательного зарядов в объеме ди$

77

электрика, т. е. поляризации. Такая поляризация называется спон$ танной (самопроизвольной). В диэлектрике образуются области – домены. В каждом домене частицы, обусловливающие самопроиз$ вольную поляризацию, смещены в одном направлении. В этом на$ правлении ориентирован и вектор спонтанной поляризованности Ps домена. В соседних доменах направление Ps может быть противопо$ ложным или перпендикулярным (рис. 39, а).

rнач

Tк

E T

Рис. 39

В электрическом поле в сегнетоэлектриках происходят упругие электронная и ионная поляризации, а также неупругая доменная. В процессе доменной поляризации векторы Рs доменов ориентируются по направлению электрического поля (рис. 39, б). Переориентацией направлений Рs доменов объясняются характерные для сегнетоэлек$ триков нелинейные свойства: диэлектрический гистерезис и зависи$ мость их диэлектрической проницаемости от напряженности элект$ рического поля (рис. 39, в, г). Поляризованность кристалла с ростом напряженности электрического поля увеличивается благодаря ори$ ентации Рs доменов и достигает поляризованности насыщения. С уменьшением напряженности при E = 0 наблюдается остаточная по$ ляризованность, так как сохраняется ориентация доменов. Умень$

78

шить поляризованность до нуля можно, приложив к образцу элект$ рическое поле напряженностью Ес, которое называется коэрцитив$ ной силой.

Для сегнетоэлектриков характерны большая (до нескольких ты$ сяч) диэлектрическая проницаемость и ее резкая зависимость от тем$ пературы (рис. 39, д). Увеличение температуры приводит к ослабле$ нию сил, препятствующих ориентации доменов. Поляризованность диэлектрика, вызванная доменной поляризацией, увеличивается, а диэлектрическая проницаемость достигает максимального значения при температуре точки Кюри. Спонтанная поляризованность при температуре Кюри исчезает, сегнетоэлектрик теряет свои сегнетоэ$ лектрические свойства и переходит в параэлектрическое состояние, при котором сохраняется нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля.

Удельные диэлектрические потери и угол диэлектрических потерь

Диэлектрическими потерями называют мощность, поглощаемую диэлектриком под действием приложенного напряжения. Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными поля$ ризациями. Если в диэлектрике имеют место газовые включения (поры), то в процессе работы его при высоких напряжениях и высо$ ких частотах происходит ионизация газа в порах, что вызывает по$ тери на ионизацию.

При включении на постоянное напряжение конденсатора, между электродами которого находится диэлектрик, протекает уменьшаю$ щийся со временем ток I = Iабс + Iск (рис. 40, а).

Рис. 40

Ток смещения (емкостный ток) Ic вызван смещением электронных оболочек в атомах, ионах и молекулах, т. е. процессом установления

79

быстрых, упругих поляризаций; он спадает в течение 10–16... 10–15 с, поэтому не вызывает рассеяния энергии в диэлектрике.

Спадающий со временем ток абсорбции Iабс обусловлен смещени$ ем связанных зарядов в ходе медленных поляризаций и вызывает рассеяние энергии в диэлектрике и диэлектрические потери.

Сквозной ток утечки Iск вызван перемещением свободных зарядов в диэлектрике в процессе электропроводности, не изменяется со вре$ менем (если не происходит электроочистка диэлектрика или его ста$ рение, деградация) и вызывает потери, аналогичные джоулевым по$ терям в проводниках. Следовательно, при постоянном напряжении потери, вызванные током абсорбции, имеют место только в период, когда происходит процесс медленных поляризаций, т. е. при вклю$ чении конденсатора.

При переменном напряжении Iабс имеет место, если время релак$ сации процесса медленных поляризаций меньше или соизмеримо с полупериодом приложенного напряжения ( = Т/2). В этом случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике под воздействием на него элек$ трического поля, т. е. диэлектрические потери, обусловливаемые то$ ками Iск и Iабс, наблюдаются в течение всего времени воздействия приложенного напряжения.

На векторной диаграмме токов, протекающих через конденсатор с диэлектриком при переменном напряжении (рис. 40, б), емкостной ток Ic опережает напряжение U по фазе на угол 90° и поэтому не со$ здает потерь мощности в диэлектрике. Ток абсорбции Iабс определя$ ется поляризациями, процесс установления которых связан с поте$ рями энергии. Поэтому он имеет реактивную Iра и активную Iаа со$ ставляющие. Сквозной ток Iск совпадает по фазе с приложенным на$ пряжением. Суммарный ток I имеет реактивную Ip = Ic + Ipa и ак$ тивную Ia = Iаа + Iск составляющие и опережает напряжение на угол < 90°. Угол , дополняющий до 90° угол фазового сдвига меж$ ду током и напряжением в емкостной цепи, называют углом диэлек трических потерь. В соответствии с векторной диаграммой токов

tg = Ia/Ip,

где tg – тангенс угла диэлектрических потерь, который является важным параметром, характеризующим качество диэлектрика при работе на переменном напряжении.

Для диэлектриков, применяемых в технике высоких частот и вы$ соких напряжений, значение tg не должно превышать 10–4...10–3. Мощность диэлектрических потерь: Ра = UIa = U2C tg . Подставив выражение для емкости плоского конденсатора и приняв S = 1 м2, h = 1 м, получим формулу для расчета удельных диэлектрических по$

80