В зависящем от времени поле

Зависимость вектора поляризации от быстро меняющегося во времени внешнего поля достаточно сложна. Она зависит от конкретного вида изменения внешнего поля со временем, быстроты этого изменения (или, скажем, частоты колебаний) внешнего поля, превалирующего механизма поляризации в данном веществе или среде (который тоже оказывается разным для разных зависимостей внешнего поля от времени, частот и т. д.).

При достаточно медленном изменении внешнего поля поляризация в целом происходит как в постоянном поле или очень близко к этому (впрочем то, насколько медленным должно быть для этого изменение поля, зависит, и зачастую крайне сильно, от превалирующего типа поляризации и других условий, например температуры).

Одним из наиболее распространенных подходов к изучению зависимости поляризации от характера меняющегося во времени поля является исследование (теоретическое и экспериментальное) случая синусоидальной зависимости от времени внешнего поля и зависимости вектора поляризации (также меняющегося в этом случае по синусоидальному закону с той же частотой), его амплитуды и сдвига фазы от частоты.

Каждому механизму поляризации в целом соответствует тот или иной диапазон частот и общий характер зависимости от частоты.

Диапазон частот, в котором имеет смысл говорить о поляризации диэлектриков как таковой, простирается от нуля где-то до ультрафиолетовой области, в которой становится интенсивной ионизация под действием поля.

4.Собственные и примесные электропроводности полупроводников

Электропроводность ПП в сильной степени зависит от присутствия в кристалле даже ничтожного кол-ва примесей. Под примесью понимают атомы с большим или меньшим числом валентных электронов по сравнению с атомами исходного материала.

Примесь в химически чистый материал (кремний или германий) вводится в очень малом количестве (на атомов исходного материала добавляется с помощью специальной технологии 1 атом примеси).

Рассмотрим вначале электропроводность химически чистого ПП (кремния или германия) они имеют 4 валентных электрона. Плоскостная модель кремния имеет вид:

П ри отсутствии примесей при Т=0К в кристалле ПП все валентные электроны находятся в ковалентных связях с атомами, т.е. свободных электронов нет. При повышении температуры атомы начинают колебаться, а те электроны, которые получают под действием тепла энергию выше , выходят из ковалентной связи, становятся свободными и перемещаются между узлами. Такие электроны называют подвижными носителями отрицательного заряда. Там, где связь порвалась, образуется избыток положительного заряда. Это место, не занятое электроном, называют дыркой, имеющей заряд +е. Дырка может быть занята электроном, но то место, откуда пришел электрон, становится дыркой. Дырку можно назвать подвижным носителем положительного заряда. Под­вижность электронов высокая, подвижность дырок низкая, так как дырки движутся по ковалентным связям, а электрон перемещается сво­бодно между узлами кристаллической решетки. Процесс образования пар "электрон - дырка" называется генерацией пар подвижных носителей заряда.

В чистых ПП количество подвижных электронов и дырок одинаково. Их концентрация зависит от температуры. Поэтому электропроводность чистого ПП довольно сильно зависит от температуры.

Свободный электрон, совершая хаотическое движение, может заполнить дырку в ковалентной связи. Такой процесс называют рекомбинацией носителей зарядов. При этом выделяется тепло либо квант света.

Направленное движение электронов и дырок под действием электрического поля создаёт электрический ток. Электроны и дырки движутся в противоположном направлении, образуя электронную и дырочную составляющие тока. Этот ток называют током собственной проводимости ПП.

Электропроводность примесных ПП.

Допустим, что в чистый четырехвалентный ПП кремний Si введён пяти-валентный химический элемент, например мышьяк As (или сурьма, фос­фор). В некоторых узлах появятся пятивалентные элементы. Тогда кар­тина ковалентных связей будет иметь вид. 

Четыре валентных электрона атома примеси создают ковалентную связь с четырьмя соседними атомами Si, а пятый электрон оказывается избыточным. На его отрыв от атома требуется затратить небольшую по величине энергию. Поэтому уже при комнатной температуре избыточные электроны примеси становятся свободными. Атом As при потере пятого электрона становится положительным ионом, т.е. происходит ионизацию атома примеси. В области, из которой ушел электрон, остается нескомпенсированный положительный заряд.

Эта примесь называется донорной, так как атом примеси отдает лишний электрон. Одновременно происходит генерация пар "электрон-дыр­ка", как и в чистом ПП. Однако в ПП с донорной примесью преобладают свободные электроны и он имеет преимущественно электронную проводимость, большую, чем в чистом ПП.

Такой ПП называют полупроводником n-типа. Электроны в нем являются основными подвижными носителями заряда, дырки - неосновными, поэтому электронная составляющая тока является основной.

На энергетической диаграмме в запрещенной зоне вблизи зоны прово­димости появляется нерасщепленный уровень энергии, занятый избыточ­ными электронами (нерасщепленный потому, что соседние атомы примеси далеки и не влияют друг на друга). Для того чтобы перевести с этого уровня электрон в зону проводимости, требуется малая дополнительная энергия эВ. Поэтому даже при комнатной темпера­туре электроны, не занятые в ковалентных связях, находятся в зоне проводимости, т.е. могут перемешаться под действием электрического поля, чем и обусловлена электропроводность ПП n-типа.

Т еперь предположим, что в ПП введён трёхвалентный атом примеси, например алюминия Аl (или индия, бора, галлия). Войдя в узел крис­таллической решётки, атом примеси образует своими тремя валентными электронами ковалентную связь с тремя соседними атомами исходного ПП. 

Для четвёртой связи не хватает одного электрона, т.е. образуется дырка. Но эта четвертая связь за счет валентного электрона соседнего атома ПП легко образуется, так как для этого требуется небольшая дополнительная энергия, равная 0,01 - 0,07 эВ. В результате атом примеси превращается в отрицательный ион (непод­вижный), а в соседнем атоме появляется дырка. Кристалл в целом оста­ётся электрически нейтральным, так как заряд дырки компенсирует за­ряд лишнего электрона. -

Эта примесь называется акцепторной. В результате её введения об­разуется избыточное количество дырок, поэтому такой ПП обладает большей по сравненное чистым ПП дырочной проводимостью и его назы­вают ПП р-типа. Основными подвижными носителями заряда являются дыр­ки, а электроны - неосновными, поэтому основная составляющая тока - дырочная. При комнатной температуре все акцепторные уровни оказыва­ются занятыми электронами соседних атомов ПП из валентной зоны.

Таким образом, в примесных ПП основные подвижные носители зарядов появляются за счет атомов примесей; неосновные носители зарядов так же, как и в чистом ПП,- за счет тепловых (или других) разрушений ковалентных связей, другими словами, за счет генерации пар носителей зарядов. При этом удельная проводимость примесного ПП на несколько порядков превышает собственную проводимость чистого ПП.

 5.

МАГНИТОМЯ́ГКИЕ МАТЕРИА́ЛЫ, магнитные материалы с малой коэрцитивной силой (Н_с 800 А/м) и высокой магнитной проницаемостью. При температурах ниже точки Кюри магнитомягкие материалы спонтанно намагничены и состоят из хаотически ориентированных намагниченных до насыщения доменов.

Промышленные магнитомягкие материалы имеют значение H_c порядка 0,4 А/м. Поэтому они намагничиваются до индукции технического насыщения при невысоких напряженностях поля. Намагничивание происходит в основном за счет смещения доменных границ. Для таких материалов необходимо максимально облегчить движение доменных стенок при перемагничивании, уменьшить влияние магнитной анизотропии и магнитострикции. Низкие значения энергии магнитной анизотропии, а у ряда ферритов и низкие значения констант магнитострикции приводят к тому, что намагничивание материала, включающее процессы смещения границ доменов и вращение их вектора намагниченности, не требует значительных полей и энергий. Чтобы облегчить процесс намагничивания, необходимо уменьшить количество дефектов в сплаве (примесей внедрения, дислокаций и др.), мешающих свободному движению доменных стенок.

В случае использования магнитомягких материалов в переменных магнитных полях желательно иметь большое значение электросопротивления магнетика. Диапазон рабочих частот для различных магнитомягких материалов определяется в значительной степени величиной их удельного сопротивления. Чем больше удельное сопротивление материала, тем при более высоких частотах его можно применять.

Магнитомягкие материалы по области применения делят на:

- материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей и

- на магнитомягкие высокочастотные материалы.

К магнитомягким материалам специального назначения относятся магнитострикционные материалы, с помощью которых электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию и термомагнитные сплавы, служащие для компенсации температурных изменений магнитных потоков в магнитных системах приборов.

Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей.

Помимо высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы эти магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. В магнитном материале, используемом в переменных полях, должны быть возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и на вихревые токи.

Для уменьшения потерь на вихревые токи для трансформаторов выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением или собирают магнитопроводы из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. В этом случае магнитные потери будут зависеть от толщины листа (ленты). К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности. Магнитные свойства материалов зависят также от частоты магнитного поля. Важным требованием к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств во времени, и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические напряжения. Из всех магнитных характеристик наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная проницаемость и коэрцитивная сила.

К низкочастотным магнитомягким материалам относятся железо (армко-железо), электротехнические стали, в том числе кремнистая электротехническая сталь, низкокоэрцитивные сплавы, такие как пермаллой и альсифер.

Магнитомягкие высокочастотные материалы

Высокочастотные магнитомягкие материалы должны выполнять функции магнетиков при частотах свыше нескольких сотен или тысяч герц. По частотному диапазону их можно подразделить на материалы для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот и для СВЧ.

По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на магнитодиэлектрики и ферриты. При звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатаные электротехнические стали и пермаллои.

Широко применяются в технике слабых токов смешанные ферриты (например, соединение из цинкового и никелевого ферритов), а также феррогранаты. Для них характерно исключительно высокое электрическое сопротивление и практическое отсутствие скин-эффекта. Феррогранаты применяются при очень высоких частотах (если невелики диэлектрические потери).

Свойствами магнитомягких материалов обладают также некоторые аморфные магнетики и аморфные металлы.

В электро- и радиотехнике магнитомягкие материалы применяют для изготовления датчиков магнитного поля, считывающих головок для чтения магнитной записи, сердечников трансформаторов, дросселей, магнитопроводов, полюсных наконечников, телефонных мембран, магнитных экранов и т.д. В микроэлектронике их используют как элементы интегральных схем.