Шпаргалка по метрологии / 6

6. Электретные материалы. Методы получения электретов, их основные свойства и применение.

Электретом называют тело из диэлектрика, длительно сохраняющее поляризацию и создающее в окружающем его пространстве электрическое поле, т.е. электрет является формальным аналогом постоянного магнита.

Образцы электретов были впервые изготовлены из охлажденного в сильном электрическом поле расплава полярных диэлектриков: пальмового воска и канифоли. Для уточнения технологии получения такие электреты называют термоэлектретами. Термоэлектреты способны создавать электрическое поле в окружающем пространстве в течение многих месяцев и даже лет. Большой интерес представляют фотоэлектреты, изготовляемые из материалов, обладающих фотоэлектропроводностью (сера, сульфид кадмия и др.), при одновременном воздействии света и электрического поля. Фотоэлектреты могут длительно сохранять заряды в темноте и быстро разряжаются при освещении.

Существуют и другие способы получения электретного состояния в диэлектриках. Например, электреты образуются при воздействии на диэлектрик только электрического поля без нагрева или облучения. Поле выбирают настолько большим, что над поверхностью диэлектрика возникает газовый разряд (электрическая плотность газа ниже, чем у твердого диэлектрика); ионы, ускоренные полем, бомбардируют поверхность диэлектрика, создавая структурные дефекты и образуя поверхностный заряд. Электризация диэлектрика облегчается при пониженном давлении газа в коронном разряде. Такие электреты называют короноэлектретами.

На каждой из поверхностей электрета, находящегося под поляризующими электродами, образуются электрические заряды обоих знаков.

Заряды, перешедшие из поляризующего электрода или из

наиболее стабильны электреты из политетрафторэтилена.

Обычно электрет имеет вид тонкой пластинки или пленки с разноименными зарядами одинаковой поверхностной плотности на противоположных сторонах.

Если электрет поместить между металлическими обкладками, то индуцированный заряд на них:

где- заряд на поверхности электрета;- зазор между одной из поверхностей электрета и электродом;- толщина электрета;- диэлектрическая проницаемость материала электрета.

При изменении зазораиндуцированный заряд также изменяется. При периодическом изменении зазора в цепи между электродами проходит переменный ток, частота которого равна частоте изменения зазора. Так как внутреннее сопротивление системы электрет – электроды при этом велико, ток не зависит от внешней нагрузки, и получается своеобразный генератор переменного тока.

Электреты могут быть использованы для изготовления микрофонов и телефонов, измерения механических вибраций, в качестве пылеуловителей, дозиметров радиации, измерителей атмосферного давления и влажности, электрометров, в клавишных вычислительных машинах, в электрофотографии и во многих других случаях.

5. Оптическое поглощение в полупроводниках.

Свет, проникая в п/п, вступает с кристаллической решеткой во взаимодействие, связанное с обменом энергий. Обозначим через интенсивность света, т.е. количество световой энергии, проходящей в единицу времени через нормальное к световому потоку единичное сечение п/п. Часть светового потока отражается от границы раздела. Доля отраженной энергии характеризуется коэффициентом отражения .

Интенсивность света, проходящего через п/п, ослабляется вследствие процесса поглощения. Знак минус указывает на убыль энергии; коэффициент пропорциональности называется показателем поглощения. Он характеризует относительное изменение интенсивности излучения на единице длины.

Зависимость показателя поглощения от длины волны или энергии фотонов называют спектром поглощения вещества. Поглощение излучения в п/п может быть связано с изменением состояния как свободных, так и связанных электронов, а также с изменением колебательной энергии атомов решетки. В связи с этим в п/п различают несколько механизмов оптического поглощения. Каждому из них соответствует определенная область спектра.

Собственное поглощение света обусловлено переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости, т.е. энергия квантов света идет на ионизацию атомов п/п. Собственное поглощение возможно в том случае, если энергия фотонов превышает ширину запрещенной зоны. В зависимости от ширины запрещенной зоны оно проявляется в видимой или ближней инфракрасной области спектра.

При оптических переходах электронов из одной энергетической зоны в другую существуют определенные правила отбора. Разрешенными оптическими переходами

собственными электростатическими полями электрона и оставленной им дырки. Он напоминает атом водорода, в котором роль ядра играет положительная дырка. Энергетические уровни возбужденного электрона, входящего в состав экситона и находящегося в центральном электростатическом поле дырки, лежат несколько ниже края зоны проводимости. Энергия образования экситона меньше ширины запрещенной зоны, поскольку последняя представляет собой минимальную энергию, требуемую для создания разделенной электронно-дырочной пары.

Экситон может блуждать по кристаллу, передаваясь от одного атома в другому. Так как экситон представляет собой в целом нейтральное сочетание электрона с дыркой, то наложение слабого внешнего электрического поля, не способного нарушить связь между ними, не влияет и на хаотическое движение экситонов по кристаллической решетке и не создает электрического тока. Экситон при столкновениях с примесными центрами может либо «разорваться» и образовать два носителя заряда, либо рекомбинировать и перевести атом в невозбужденное состояние. Первое требует сообщения экситону тепловой энергии, необходимой для перевода электрона с экситонного уровня в зону проводимости; второе сопровождается либо излучением кванта энергии, либо чаще всего отдачей энергии экситона решетке п/п в виде теплоты.

Механизм поглощения света носителями заряда обусловлен переходами электронов и дырок с одного уровня на другой под влиянием квантов света внутри энергетических зон (соответственно, зоны проводимости и валентной зоны). Под действием электрического поля световой волны носители заряда совершают колебательное движение синхронно с полем. Ускоряясь полем на длине свободного пробега, электроны при столкновении с узлами решетки отдают накопленную кинетическую энергию. В

Значение в минимуме поглощения определяется концентрацией носителей заряда, т.е. зависит от температуры и концентрации примесей. Тип и концентрация примесей определяют величину и положение максимумов примесного поглощения. Показатель примесного поглощения, как правило, существенно ниже показателя собственного поглощения, так как концентрация примесных атомов намного меньше концентрации основных атомов решетки.

Собственное и примесное поглощения сопровождаются генерацией добавочных носителей заряда. За счет оптической генерации неравновесных носителей заряда должны изменяться электрические свойства п/п при его освещении. Поэтому эти виды поглощения называют фотоактивными.

Спектральная область между собственным и решеточным поглощениями у большинства п/п с малой концентрацией примесей и структурных дефектов характеризуется высокой прозрачностью, что позволяет использовать их в качестве оптических окон и светофильтров.

2. Температурная и частотная зависимость диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков.

Ионные соединения составляют твердые неорганические диэлектрики с ионной, электронной, ионно- и электронно-релаксационными поляризациями. В этой группе ввиду существенного различия их электрических характеристик целесообразно выделить две группы материалов: 1) диэлектрики с ионной и электронной поляризациями; 2) диэлектрики с ионной, электронной и релаксационными поляризациями.

К первым преимущественно относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов, например, кварц, слюда, корунд, рутил, перовскит и др. Ко вторым принадлежат неорганические стекла, многие виды керамики, кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке.

Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема.

Электронная поляризация обусловлена упругой деформацией электронных оболочек атомов под действием электрического поля.

Электронная поляризация присуща всем диэлектрикам, как правило она маскируется другими видами поляризации. Значение диэлектрической проницаемости вещества с чисто электронной поляризацией числено равно квадрату показателя преломления света. Поляризуемость частиц при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема. Кривая зависимости от температуры подобна кривой изменения плотности; причем наиболее резкие снижения наблюдается при агрегатных переходах вещества из твердого

Следует отметить относительно высокое значение диэлектрической проницаемости, которое может иметь место при электронно-релаксационной поляризации, а также наличие максимума в температурной зависимости .

4. Сегнетоэлектрики, их особенности и области применения. Поляризация сегнетоэлектриков. Температурная и частотная зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков.

Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру. Домены представляют собой макроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике. Направления электрических моментов у разных доменов различно. Суммарная поляризованность образца в целом может быть равна 0. Если кристалл имеет малые размеры, то он может состоять всего лишь из одного домена. Крупные образцы разбиваются на множество доменов, поскольку однодоменное состояние энергетически невыгодно. Разбиение на домены уменьшает электростатическую энергию сегнетоэлектрика.

Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Этим объясняются свойственные сегнетоэлектрикам сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости. Доменная поляризация связанна с процессами зарождения и роста новых границ, которые в итоге вызывают переориентацию вектора спонтанной поляризованности в направлении внешнего электрического поля.

Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их электрической индукции от напряженности электрического поля. При воздействии слабого электрического поля связь между D и E носит приблизительно линейный характер (участок ОА). На

пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период.

Совокупность вершин гистерезисных петель, полученных при различных значениях амплитуды переменного поля, образует основную кривую поляризации сегнетоэлектрика.

Нелинейность поляризации по отношению к полю и наличие гистерезиса обуславливают зависимость диэлектрической проницаемости и емкости сегнетоэлектрического конденсатора от режима работа. Для характеристики свойств материала в различных условиях работы нелинейного элемента используют понятия статической, реверсивной, эффективной и других диэлектрических проницаемостей.

Статическая диэлектрическая проницаемостьопределяется по основной кривой поляризации сегнетоэлектрика.

Реверсивная диэлектрическая проницаемостьхарактеризует изменение поляризации сегнетоэлектрика в переменном электрическом поле при одновременном воздействии постоянного поля.

Эффективную диэлектрическую проницаемость, как и эффективную емкость конденсатора, определяют по действующему значению тока(несинусоидального), проходящего в цепи с нелинейным элементом при заданном действующем напряжениис угловой частотой.

Диэлектрическую проницаемость, измеряемую в очень слабых электрических полях, называют начальной.

Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном диапазоне температур. В процессе нагревания выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры и сегнетоэлектрик

являются лишь те, для которых волновой вектор (квазиимпульс) электрона остается неизменным. Электрон и оставляемая им дырка в момент образования должны иметь одинаковые квазиимпульсы. Такие переходы получили название прямых.

Возможно переходы и не разрешенные правилами отбора. Вероятность их существования меньше. При таких переходах закон сохранения импульса выполняется благодаря тому, что в каждом акте поглощения принимают участие не две, а три «частицы»: фотон, электрон и фонон, т.е. квант теплового поля. Последний как раз и компенсирует разность значений импульса электрона в начальном и конечном состояниях. Такие переходы с участием фононов получили название непрямых. В этом случае избыточный импульс передается кристаллической решетке. Вероятность непрямых переходов меньше, чем вероятность прямых переходов. Соответственно меньше и показатель поглощения.

Ширина запрещенной зоны зависит от температуры. У большинства п/п ширина запрещенной зоны при нагревании уменьшается. С повышением температуры усиливаются тепловые колебания узлов решетки; соответственно, сильнее перекрываются электронные оболочки соседних атомов , что приводит к более сильному уширению разрешенных энергетических зон. Исключение из отмеченной закономерности составляют халькогениды свинца, у которых с повышением температуры наблюдается увеличение ширины запрещенной зоны.

, где - пороговая по отношению к межзонным переходам электронов значение частоты волны.

Экситонное поглощение. В некоторых п/п при поглощении фотонов образуются особые возбужденные состояния электронов валентной зоны, называемые экситонами. Экситон – это система из взаимосвязанных

воздушного зазора на поверхностные ловушки твердого диэлектрика и имеющие тот же знак заряда, что и на электроде, называют гомозарядами.

Заряды с противоположным знаком полярности электродов, возникающие в электрете за счет различных релаксационных механизмов поляризации, называют гетерозарядами.

Разность гетеро- и гомозарядов определяет результирующий заряд поверхности электрета. Преобладанием того или иного заряда объясняется инверсия его знака на поверхности электрета с течением времени. Сразу после окончания поляризации преобладает гетерозаряд, а спустя некоторое время, когда тепловое движение дезориентирует диполи, преобладающим оказывается гомозаряд.

Гомозаряды сохраняются в течении более длительного времени по сравнению с гетерозарядами.

У органических полярных электретов преобладают гетерозаряды, у неорганических (керамических) материалов и органических неполяризованных диэлектриков – гомозаряды.

Время жизни электретов в нормальных условиях может достигать десятков лет. Оно быстро уменьшается с повышением температуры и влажности окружающей среды. При нагревании происходит освобождение носителей заряда, захваченных ловушками, а также нейтрализация объемных зарядов за счет электропроводности диэлектрика. В материалах с очень высоким удельным сопротивлением релаксация заряда, локализованного на глубоких ловушках, происходит очень медленно.

В настоящее время наибольшее практическое применение находят электреты на основе полимерных пленок (политетрафторэтилен, полиэтилентерефталат, поликарбонат, и д.р.). В условиях повышенной влажности

состояния в жидкое и из жидкого в газообразное.

Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обусловлена смещением упруго связанных ионов на расстояния, меньше периода решетки.

Чем больше заряд у иона и чем слабее он связан в решетке, тем сильнее поляризация.

С ростом температуры упругие связи ослабевают и поляризация получает большее развитие. будет расти. Исключение рутила. У него с ростом температуры упругие свойства убывают.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов, например в неорганических стеклах, и в некоторых кристаллических веществах.

Слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие постоянную решетки. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия, т.е. этот механизм можно отнести к релаксационной поляризации, при которой имеет место необратимое рассеяние энергии. В расплавленном состоянии ионные соединения становятся проводниками с электролитической электропроводностью.

Для большинства материалов с ионно-релаксационной поляризацией максимума в ее температурной зависимости до сих пор экспериментально не обнаружено. Ввиду значительной энергии активации ионов максимум возможен лишь при высоких температурах, когда электропроводность материала резко возрастает.

Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или дырок.

результате энергия световой волны превращается в тепловую энергию решетки. Такой вид поглощения существен тогда, когда время свободного пробега электронов намного меньше периода электромагнитных колебаний. В противном случае электрон возвращает электромагнитной волне накопленную энергию. Поэтому интенсивность поглощения растет с увеличением длины волны падающего света. При фиксированной показатель поглощения тем больше, чем выше концентрация носителей заряда в полупроводнике, т.е. чем меньше удельное сопротивление материала.

Примесное поглощение света обусловлено ионизацией или возбуждением примесных атомов в кристаллической решетке. При этом механизме энергия поглощаемых квантов света расходуется либо на переход электронов с донорных уровней в зону проводимости, либо на переход электронов из валентной зоны на акцепторные уровни. Так как энергия ионизации примесей обычно намного меньше ширины запрещенной зоны, примесное поглощение смещено от края собственного поглощения в далекую инфракрасную область спектра и экспериментально может наблюдаться лишь при низких температурах, когда большая часть атомов примеси не ионизирована. Взаимодействие фотонов с примесными атомами носит резонансный характер, т.е. вероятность поглощения существенно падает, если энергия фотонов значительно отличается от энергии ионизации примеси.

Поглощение света решеткой происходит в результате взаимодействия электромагнитного поля с движущимися зарядами узлов кристаллической решетки. Решеточное поглощение связано с изменением колебательной энергии атомов. Оно проявляется в далекой инфракрасной области спектра и накладывается на примесное поглощение и поглощение носителями заряда.

Показатель поглощения круто падает с увеличением за длинноволновым порогом собственного поглощения.

переходит в параэлектрическое состояние. Температура такого фазового перехода получила название сегнетоэлектрической точки Кюри. В этой точке спонтанная поляризованность исчезает, а диэлектрическая проницаемость достигает своего максимального значения.

Переход сегнетоэлектрика в пароэлектрическое состояние сопровождается резким уменьшением , поскольку исчезают потери на гистерезис.

В техническом применении сегнетоэлектриков наметилось несколько направлений, важнейшими из которых следует считать:

1) изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью;

2) использование материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств;

3) использование сегнетоэлементов в счетно-вычислительной технике в качестве ячеек памяти;

4) использование кристаллов сегнето- и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразования лазерного излучения;

5) изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей.

этом участке преобладают процессы обратимого смещения (флуктуации) доменных границ. В области более сильных полей (область АВ) смещение доменных границ носит необратимый характер. При этом разрастаются домены с преимущественной ориентацией, у которых вектор спонтанной поляризации образует наименьший угол с направлением поля. При некоторой напряженности поля, соответствующей точке В, все домены оказываются ориентированными по полю. Наступает состояние технического насыщения. В монокристаллах состояние технического насыщения соответствует однодоменному состоянию. Некоторое возрастание индукции в сегнетоэлектрике на участке технического насыщения обусловлено процессами индуцированной (т.е. электронной и Ионой) поляризации. Ее роль усиливается с повышением температуры. Кривую ОАВ называют основной кривой поляризации сегнетоэлектрика.

Если в поляризованном до насыщения образце уменьшить напряженность поля до 0, то индукция в ноль не обратится, а примет некоторое остаточное значение. При воздействии полем противоположной полярности индукция быстро уменьшается и при некоторой напряженности поля изменяет свое направление. Дальнейшее увеличение напряженности поля вновь переводит образец в состояние технического насыщения (точка С). Переполяризация сегнетоэлектрика в переменных полях сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Напряженность поля, при которой индукция проходит через 0, называется коэрцитивной силой.

Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым смещением доменных границ под действием поля и свидетельствует о дополнительном механизме диэлектрических потерь, связанных с затратами энергии на ориентацию доменов. Площадь гистерезисной петли