Файл: 1. Классификация материалов по электрическим свойствам. Виды проводников, полупроводников, диэлектриков с примерами.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.04.2024
Просмотров: 26
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
17. Электропроводность полупроводников в сильных электрических полях. Зависимость подвижности и скорости дрейфа от напряженности электрического поля. Виды ионизации. Эффект Зенера
Двигаясь в электрическом поле, электрон меняет и свою координату, и энергию, переходя с одного уровня на другой (рис.87 а). При этом кинетическая энергия его увеличивается на величину eU (где U - пройденная электроном разность потенциалов), а потенциальная энергия уменьшается на ту же величину, так как полная энергия не меняется.
Тогда движение электрона следует изображать горизонтальной линией, а энергетические уровни - наклонными (рис.87 б). Тангенс угла наклона энергетических уровней при этом оказывается пропорциональным напряжённости электрического поля.
Электрон, двигаясь в приложенном поле, приобретает дополнительную энергию , которую затем отдает решетке посредством электрон-фононного взаимодействия (электрон 1). Если значение поля Е не велико (Е < 10^5 В/м), то электроны отдают всю лишнюю энергию решетке, сохраняя свою энергию почти постоянной. С дальнейшим увеличением поля энергия электрона не успевает переходить в решетку и начинает накапливаться. В результате температура носителей становится более высокой, чем температура решетки. Указанный эффект называют разогревом электронного газа, а сами электроны и дырки – «горячими» носителями.
При повышении напряженности приложенного электрического поля до 10^6-10^7 В/м начинаются процессы ударной и электрической ионизации атомов, что также сопровождается увеличением концентрации свободных носителей.
При ударной (лавинной) ионизации электрон, движущийся в сильном поле, накапливает кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов вещества. Образовавшийся при этом освобожденный электрон также ускоряется полем и вызывает ионизацию другого атома. Процесс столкновения электрона носит неупругий характер, что проявляется в изменении энергии электрона при столкновении.
Ударная ионизация наиболее характерна для примесных полупроводников, когда энергия, необходимая для перехода электрона с примесного уровня в зону проводимости, невелика
Эффект Зенера
18. Электронно-дырочный переход. Образование потенциального барьера
Область внутри монокристалла полупроводника на границе раздела его двух сред с разным типом примесной электропроводности (р-и n-типа) называют электронно-дырочным переходом или р-n-переходом. Такие переходы изготовляют сложными технологическими приемами путем внесения примеси определенного типа (например, n-типа) в полупроводник с незначительным количеством примеси противоположного типа (р-типа). Свойства р-n-перехода положены в основу принципа действия подавляющего числа полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС).
Рассмотрим картину образования p-n-перехода. При этом для простоты будем считать, что p-n-переход образован в результате соприкосновения двух полупроводников р- и n-типов и концентрации электронов в области n-типа и дырок в области р-типа равны. При комнатной температуре практически все атомы примесей полупроводника ионизированы: в полупроводнике р-типа концентрация отрицательных ионов акцепторов Na равна концентрации свободных дырок рp, а в области n-типа концентрация положительных ионов доноров Nd равна концентрации свободных электронов nn. Кроме того, в каждой области имеется небольшое количество неосновных носителей. При создании p-n-перехода (упрощенно — при соприкосновении областей р- и n-типов) равенство между количеством ионов и свободных носителей заряда нарушается. Так как между областями р- и n-типов существует значительная разница в концентрации дырок и электронов, происходит диффузия дырок в область n-типа и электронов — в область р-типа.
Как только дырка покинет область р-типа, в этой области вблизи границы раздела образуется нескомпенсированный отрицательный заряд иона акцепторной примеси, а с уходом электрона из области n-типа в ней образуется нескомпенсированный положительный заряд иона донорной примеси (рис. 16.11, одинарный кружок — свободные заряды; двойной — ионы). Нескомпенсированные заряды образуются также и вследствие того, что часть электронов и дырок, попавших в смежную область, рекомбинирует, нарушая тем самым равновесие концентрации между свободными носителями заряда и неподвижными ионами примеси. В результате вблизи границы раздела областей создается двойной объемный слой пространственных зарядов, который называют р-п-переходом. Этот слой обеднен основными (подвижными) носителями заряда в обеих частях, поэтому его удельное сопротивление велико по сравнению с областями р- и n-типов. Часто этот слой называют запирающим. Однако надо отметить, что концентрация подвижных носителей в р-n-переходе изменяется плавно и существенно обеднен подвижными носителями заряда только средний слой перехода, где их концентрация примерно на несколько порядков меньше. Поэтому обедненный, или запирающий, слой несколько уже р-n-перехода.
19. Влияние внешнего напряжения на p-n-переход. ВАХ p-n-перехода.
20. Физические свойства диэлектриков.
Этими параметрами выступают: поляризация, электропроводность, электрическая прочность и диэлектрические потери. Для каждого из этих параметров существует своя формула и постоянная величина, в сравнении с которой производится заключение о степени пригодности материала.
Главными электрическими свойствами диэлектриков являются поляризация (смещение зарядов) и электропроводность (способность проводить электрический ток) Смещение связанных зарядов диэлектрика или их ориентация в электрическом поле называется поляризацией. Это свойство диэлектрических материалов характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью
ε. При поляризации на поверхности диэлектрика образуются связанные электрические заряды.
Под электропроводностью понимают способность диэлектрика проводить электрический ток. Ток, протекающий в диэлектрике называется током утечки. Ток утечки состоит из двух составляющих - тока абсорбционного и тока сквозного. Сквозные токи обусловлены наличием свободных зарядов в диэлектрике, абсорбционный ток - поляризационными процессами до момента установления равновесия в системе.
Величина электропроводности зависит от температуры, влажности и количества свободных носителей заряда.
При увеличении температуры электропроводность диэлектриков увеличивается, а сопротивление падает.
Зависимость от влажности вновь возвращает нас к классификации диэлектриков. Ведь, неполярные диэлектрики не смачиваются водой и на изменение влажности им нет дела. А у полярных диэлектриков при увеличении влажности повышается содержание ионов, и электропроводность увеличивается.
Проводимость диэлектрика состоит из поверхностной и объемной проводимостей. Известно понятие удельной объемной проводимости, обозначается буквой сигма σ. А обратная величина называется удельное объемной сопротивление и обозначается буквой ро ρ.
Резкое увеличение проводимости в диэлектрике при возрастании напряжения может привести к электрическому пробою. И аналогично, если сопротивление изоляции падает, значит изоляция не справляется со своей задачей и необходимо применять меры. Сопротивление изоляции состоит из поверхностного и объемного сопротивлений.
Под диэлектрическими потерями в диэлектриках понимают потери тока внутри диэлектрика, которые рассеиваются в виде тепла. Для определения этой величины вводят параметр тангенс дельта tgδ. δ - угол, дополняющий до 90 градусов, угол между током и напряжением в цепи с емкостью.
Диэлектрические потери бывают: резонансные, ионизационные, на электропроводность, релаксационные.
21. Электропроводность диэлектриков. Виды электропроводности. Механизмы переноса носителей заряда.
Проводимость диэлектриков хотя и очень мала по сравнению с проводимостью проводников, но не равна нулю. В технических диэлектриках всегда есть небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Однако правильно определить ток через диэлектрик (или сопротивление диэлектрика) не так просто, так как ток зависит от времени.
Проводимость диэлектрика принято определять по
сквозномутоку. Однако одновременно идёт поляризация диэлектрика, возникает ток заряда ёмкости (ток смещения), вследствие чего может создаться неправильное представление о большой проводимости.
Электропроводность диэлектрика также зависит от агрегатного состояния: газообразный, жидкий, твёрдый диэлектрик.
22. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации. Диэлектрическая восприимчивость
1. Электронная упругая поляризация
2. Ионная упругая поляризация
3. Дипольная упругая поляризация
4. Электронная термическая поляризация
5. Ионная термическая поляризация
Возможна только в твердых диэлектриках с выраженной нерегулярностью кристаллической структуры. Она преобладает в стеклах и керамике. Под влиянием термических флуктуаций могут изменять положение ионы, находящиеся в междоузлиях, и ионные вакансии. Их перераспределение происходит в приложенном электрическом поле
6. Дипольная термическая поляризация
Характерна для таких твердых диэлектриков, у которых полярные молекулы могут изменять свою ориентацию, участвуя в тепловом хаотическом движении. Приложенное электрическое поле приводит к преимущественной ориентации диполей в направлении поля.
7. Спонтанная (самопроизвольная) поляризация
Возникает в определенном температурном диапазоне, ограниченном сегнетоэлектрическими точками Кюри, под влиянием внутренних процессов. Ее возникновение вызвано фазовым переходом второго рода из неполярной в полярную фазу. При этом структура элементарной ячейки кристалла становится несимметричной, приобретая электрический момент.
