Раздел 2. Диэлектрические материалы: основные положения физикидиэлектриков

химических свойствах классических (пассивных) диэлектрических материалов, так и об особенностях активных диэлектриков, обусловливающих их способность преобразовывать тепловые, механические, оптические и другие воздействия в электрические сигналы. Рассмотрению этих вопросов и посвящен данный раздел.

Глава 3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

3.1. Характерные особенности диэлектриков

Диэлектрики, полупроводники и металлы существенно отличаются друг от друга как по физико-химическим, так и по электрофизическим свойствам. Так, например, показанный на рис. 3.1 температурный ход удельной электропроводности σ диэлектриков и металлов противоположен: в то время как в диэлектриках величина σ растет с увеличением температуры (тепловое движение генерирует новые носители заряда), в металлах она уменьшается из-за рассеяния носителей заряда на тепловых колебаниях кристаллической решетки. Поэтому при низких температурах проводимость металлов резко возрастает, обращаясь в случае сверхпроводимости в бесконечность. В диэлектриках, напротив, при низких температурах величина σ стремится к нулю, ибо отсутствует тепловое движение и, соответственно, генерация свободных носителей заряда.

Одним из важнейших свойств диэлектриков является их способность к поляризации. Согласно современным представлениям явление поляризации сводится к изменению положения в пространстве частиц диэлектрика, имеющих электрический заряд того или иного знака, в результате чего каждый макроскопический объем диэлектрика приобретает некоторый наведенный (индуцированный) электрический момент, которым этот объем диэлектрика до воздействия внешнего электрического поля не обладал (см. параграф 3.2).

В рамках макроскопической теории, рассматривающей диэлектрик как сплошную среду, особые электрические свойства диэлектриков, отличающие их от металлов, объясняются тем, что в металлах очень велика концентрация свободных электронов (ne ≈ 1029 м–3), которые не локализированы, а принадлежат всему кристаллу и образуют «электронный газ»,

110

Глава 3. Поляризациядиэлектриков

окружающий положительно заряженные ионы без образования про- странственно-направленных связей. Наличие такого электронного газа приводит к экранированию электрического поля. Поэтому в металлах электрическое поле равно нулю. И лишь при очень высоких частотах (~1016 Гц) электронный газ в металлах не успевает взаимодействовать с электромагнитным полем, в результате чего становится возможным смещение внутренних электронных оболочек ионов относительно ядер, т. е. происходит поляризация металлов. Напротив, в диэлектриках свободных электронов чрезвычайно мало (при комнатной температуре ne ≈ 1014–1021 м–3), так что они не препятствуют проникновению в диэлектрик электрического поля, вызывающего поляризацию.

С точки зрения микроскопической теории твердых тел, различная концентрация свободных электронов в диэлектриках и металлах обусловлена разной природой их химических связей (см. гл. 2).

Как уже отмечалось, любые связи атомов, молекул или ионов осуществляются посредством электрического взаимодействия. На сравнительно больших расстояниях доминируют силы притяжения, а на малых – силы отталкивания между частицами (см. рис. 2.2). Это обстоятельство препятствует сближению атомов и ионов при определенном расстоянии между ними. При этом важно отметить, что энергия отталкивания Uот быстро убывает с расстоянием r между соседними атомами или ионами: Uот ≈ r–8–r–11. Притяжение является более дальнодействующим. Так, например, в ионных кристаллах энергия притяжения пропорциональна r–1, а в ковалентных – (r–2–r–4). Баланс этих сил обусловливает основные свойства твердых веществ.

σ

Металлы

Диэлектрики

Рис. 3.1. Качественный характер температурной зависимости удельной электропроводности металлов и диэлектриков

111

Раздел 2. Диэлектрические материалы: основные положения физикидиэлектриков

Для большинства проводников характерна металлическая связь, основанная на общности валентных электронов в веществе. В диэлектриках же возможны разные виды связей: ионная, ковалентная, молекулярная и дисперсионная связь, обусловленная связанными состояниями электронов. В результате электрическое поле, приложенное извне к диэлектрику, практически не приводит к переносу свободных электронов, т. е. к электропроводности, но вызывает смещение связанных электронов, т. е. поляризацию. Следует отметить, что если в процессе поляризации участвуют практически все составляющие диэлектрик частицы, изменяющие свое взаиморасположение, то лишь очень немногочисленные свободные заряженные частицы переносят через диэлектрик электрические заряды и обусловливают его электропроводность.

Количественное различие в электропроводности твердых диэлектриков и металлов классическая физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные электроны, а в диэлектриках все электроны связаны, т. е. принадлежат отдельным атомам, и электрическое поле не отрывает, а лишь слегка смещает их. Однако такое объяснение неточно. Как показывает современная квантово-механическая теория, твердое тело представляет собой гигантскую «молекулу», где каждый электрон принадлежит всему кристаллу в целом. Это в одинаковой степени справедливо и для диэлектриков, и для металлов. Причиной различного поведения электронов в металлах и в диэлектриках является различный характер распределения электронов по уровням энергии.

Вквантово-механическом представлении различия свойств металлов и диэлектриков объясняются зонной теорией. Структура энергетических зон электронов в кристаллических диэлектриках и металлах качественно различна. При сближении атомов и образовании кристалла электронные уровни энергии атомов за счет их взаимодействия расщепляются, образуя зоны. Особенно сильно расщепляются энергетические уровни внешних (валентных) электронов, так как они взаимодействуют друг с другом сильнее, чем электроны внутренних оболочек. Вид электронных спектров кристаллов зависит от особенностей атомных волновых функций частиц и от степени перекрытия их при сближении атомов в процессе образования кристалла.

Вметаллах различие в энергии между валентной зоной и зоной проводимости несущественно, вследствие чего электроны легко меняют энергию, переходя с уровня на уровень, и поэтому практически

112

Глава 3. Поляризациядиэлектриков

свободны. Электроны в металлах не локализированы (они принадлежат всему кристаллу) и не образуют пространственно-направленных связей между ионами. Во всех остальных кристаллах большинство электронов в той или иной степени локализированы.

В полупроводниках (главным образом в ковалентных кристаллах) ширина запрещенной зоны ∆Eg превышает тепловую энергию (∆Eg > kT ), а валентные электроны образуют электронные пары, связывающие атомы. Примерами могут служить углерод в структуре ал-

маза (∆Eg = 5,33 эВ), кремний (1,12 эВ), Ge (0,72 эВ) и др.

В диэлектриках (преимущественно в ионных и молекулярных кристаллах) валентные электроны локализованы вблизи отдельных анионов или молекул. Энергия связи электронов в диэлектриках намного превышает не только тепловую энергию (∆Eg >> kT), но и энергию видимого света (∆Eg > hν). Поэтому вероятность возбуждения электронов мала.

Диэлектрики и полупроводники качественно подобны: и те и другие имеют запрещенную зону в спектре электронных состояний. Однако в полупроводниках эта запрещенная зона гораздо меньше. Поэтому проводимость полупроводников в 106–1010 раз ниже проводимости металлов, но примерно в такой же степени превосходит проводимость диэлектриков. Зависимость σ(Т) полупроводников лишь в исключительных случаях и в небольшом температурном интервале может носить металлический характер. Как правило, и в полупроводниках, и в диэлектриках температурные зависимости проводимости подобны.

Таким образом, с точки зрения зонной теории, полупроводники качественно отличаются от металлов наличием запрещенной зоны ∆Eg в электронном спектре, в то время как между полупроводниками и диэлектриками есть только количественное отличие. Вещества с ∆Eg > 3 эВ условно относят к диэлектрикам, а при меньших значениях ∆Eg – к полупроводникам.

Количественное различие в ширине запрещенной зоны и величине проводимости приводит к существенной разнице в оптических,

магнитных и электрических свойствах диэлектриков и полупровод-

ников. В оптическом диапазоне волн диэлектрики прозрачны, а полупроводники отражают свет и характеризуются почти металлическим блеском. Причина заключается в том, что относительно узкая запрещенная зона полупроводников позволяет квантам света с энергией

При Т = 300 К тепловая энергия kT = 0,025 эВ.

113