3. Классификация полупроводниковых материалов

Полупроводники представляют собой весьма многочисленный класс материалов. Полупроводниковыми свойствами могут обладать как неорганические, так и органические вещества, кристаллические и аморфные, твердые и жидкие, немагнит­ные и магнитные.

Одна из возможных схем классификации полупроводниковых мате­риалов приведена на рис. 5.1.

Из табл. 5.1 видно, что полупроводниковыми свойствами обладают и некоторые модификации олова и углерода. Последний существует в двух аллотропных формах — алмаз и графит. Графит по элект­рическим свойствам близок к про­водникам ( Э <0,1 эВ), а чис­тые алмазы являются диэлект­риками. Однако искусственные алмазы за счет вводимых при­месей приобретают свойства по­лупроводников.

Кристаллическая структура многих соединений характеризуется тетраэдрнческой координацией атомов, как это имеет место в решетке алмаза. Такие полупроводнико­вые соединения получили название алмазоподобных полупроводников.

Интерес к органическим полупровод­никам вызван тем, что в некоторых из них полупроводниковые свойства сочетаются с эластичностью, которая позволяет изготавливать рабочие элементы в виде гибких лент и волокон.

Билет 11.

1. Электрические свойства изоляционных материалов.

1)Физические свойства:

- деформируемость

- прочность на растяжение/сжатие

- ударная вязкость/хрупкость

- твердость/эластичность

- влажность(гироскопичность) – способность накапливать влагу внутри изоляционного материала (ухудшает изоляцию)

- влагопроницаемость – способность материалов пропускать через себя пары воды

Для уменьшения гироскопичности и влагопроницаемости материал подвергают пропитке.

- нагревостойкость – способность материала выдерживать кратковременно или длительно высокие температуры

- термостойкость – способность к резкому изменению температуры

- холодостойкость - способность материала выдерживать кратковременно или длительно низкие температуры (изоляционные свойства улучшаются, однако многие материалы становятся хрупкими, жесткими и т. д.)

- тепловое расширение – изменение размеров образующихся в 1-ом метре при нагреве на 1⁰С

2)Электрические свойства:

- диэлектрическая проницаемость - характеризует свойства среды – ее реакцию на электрическое поле; ; В несильных полях не зависит от Е.

- диэлектрическая восприимчивость с – характеризует способность диэлектриков к поляризации .

- удельная электропроводность - ; где - удельное сопротивление ;

- диэлектрические потери – часть энергии переменного электрического поля в диэлектрике, которая переходит в тепло (сдвиг между D и E) – т. к. max поляризация не совпадает с max E

- электрическая прочность – напряженность электрического поля, при которой наступает пробой диэлектриков

! При увеличении температуры, сопротивление диэлектриком уменьшается!

2. Особенности строения твёрдых тел. Элементы зонной теории твёрдого тела.

Большинство электротехнических материалов представляют собой твердые тела. Кристаллы. Представлению о порядке в мире атомов отвечает кристаллическая решетка, обусловливающая периодическое электро­статическое поле. Геометрически возможны лишь 14 различных пространственных решеток, являющихся основой шести кристаллических систем, приведенных на рис.

Геометрическая классифика­ция кристаллов недостаточна для разделения структур, кажу­щихся тождественными. Они могут различаться по двойному лучепреломлению, по пьезо и пироэлектрическим свойствам и т. п. Это обусловлено различны­ми видами симметрии, которые насчитывают 32 класса, а всего существует 230 возможных пространственных групп.

Полиморфизм. Некоторые твердые вещества обладают способ­ностью образовывать не одну, а две и более кристаллические структу­ры, устойчивые при различных температурах и давлениях. Такое свой­ство материалов называют полиморфизмом

.ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Зонная теория является основой современных представлений о меха­низмах различных физических явлений, происходящих в твердом кристаллическом веществе при воздействии на него электромагнитного поля. Зонная теория твердого тела — это теория валентных электро­нов, движущихся в периодическом потенциальном поле кристалличес­кой решетки.

Отдельные атомы имеют дискретный энергети­ческий спектр, т. е. электроны могут занимать лишь вполне опре­деленные энергетические уровни.

Часть этих уровней заполнена при нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться толь­ко тогда, когда атом подвергнется внешнему энергетическому воздей­ствию, т. е. когда он возбужден. Стремясь к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент перехода электронов с воз­бужденных уровней на уровни, на которых его энергия минимальна.

Если имеется система из N одинаковых атомов, достаточно удален­ных друг от друга (например, газообразное вещество), то взаимодейст­вие между атомами практически отсутствует и энергетические уровни электронов остаются без изменений.

Обменное взаимодействие. Обменное взаимодействие имеет чисто квантовую природу и является следствием неразличимости электронов. В этом случае уже нельзя говорить о принадлежности того или иного электрона опреде­ленному атому — каждый валентный электрон принадлежит всем ато­мам кристаллической решетки одновременно. Иными словами, при перекрытии электронных оболочек происходит обобществление элект­ронов.

Распределение электронов. В соответствии с принципом Паули на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, причем с противоположным направлением спинового маг­нитного момента. Поэтому число электронных состояний в зоне ока­зывается конечным и равным числу соответствующих атомных состоя­ний.

Выводы зонной теории. Харак­тер энергетического спектра у ме­таллических проводников, полупро­водников и диэлектриков сущест­венно различен. В металлических проводниках валентная зона запол­нена полностью или перекрывается с зоной проводимости. В полупро­водниках и диэлектриках зона проводимости и валентная зона разделены некоторым энергетическим зазором, называемым запрещен­ной зоной. Согласно зонной теории, электроны валентной зоны имеют практи­чески одинаковую свободу движения во всех твердых телах независи­мо от того, являются ли они метал­лами или диэлектриками. Движе­ние осуществляется путем тун­нельного перехода электронов от атома к атому. Внешнее элек­трическое поле стремится нару­шить симметрию в распределении электронов по скоростям, ускоряя электроны, движущиеся в направлении действующих элек­трических сил, и замедляя частицы с противоположно направ­ленным импульсом. Однако подобное ускорение и замедление связано с изменением энергии электронов, что должно сопровож­даться переходом их в новые квантовые состояния.

В металлах, где зона не полностью укомплектована электрона­ми, даже слабое поле способно сообщить электронам достаточный импульс, чтобы вызвать их переход на близлежащие свободные уров­ни. По этой причине металлы являются хорошими проводниками электрического тока.

В полупроводниках и диэлектриках при температуре 0К все элект­роны находятся в валентной зоне, а зона проводимости абсолютно свободна. Электроны полностью заполненной зоны не могут принимать участия в создании электрического тока. Для появления электропро­водности необходимо часть электронов перевести из валентной зоны в зону проводимости. Энергии электрического поля недостаточно для осуществления такого перехода, требуется более сильное энергетичес­кое воздействие, например, нагревание твердого тела.