Экзаменационные ответы по электротехническим материалам. Шпаргалка Электротехнические материалы. 1 Классификация материалов. Атомнокристаллическое строение и виды связи в материалах. Влияние дефектов на свойства материалов

• Название: 1 Классификация материалов. Атомнокристаллическое строение и виды связи в материалах. Влияние дефектов на свойства материалов
• Анкор: Экзаменационные ответы по электротехническим материалам
• Дата: 04.06.2022
• Размер: 1.25 Mb.
• Имя файла: Шпаргалка Электротехнические материалы.docx
• Тип: Документы; #568769
• страница: 5 из 9

24 Неметаллические проводники.

Неметаллические проводники, например, углеродистые материалы, широко используются в электротехнике. Из угля изготавливают электроды для прожекторов, аноды гальванических элементов, щетки электрических машин, высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей, а угольные порошки используют в микрофонах и в производстве непроволочных резисторов. Щетки делают из графита, кокса, сажи, в качестве связки выступают каменноугольная и синтетические смолы. для повышения электропроводности в щетках часто используют порошкообразные металлы, медь с добавками свинца, олова и серебра. Углеродистые материалы, кроме сажи и графита, предварительно прокаливают для удаления летучих компонентов; после смешивания с металлическим порошком и связкой прессуют заготовки и затем вырезают щетки. Для прочности щетки спекают в неокислительной атмосфере при температуре около 1300 °С. Некоторые виды щеток подвергают графитизации при 2500 - 3000⁰С в неокислительной атмосфере, для перевода кокса и сажи в графит и удаления примесей. Заключительной операцией является пропитка щеток смолой или носком для повышения влагостойкости и снижения коэффициента трения. Повышение механической прочности щеток и увеличение электропроводности достигается за счет пропитки щеток расплавленными металлами.

Основные технические параметры щеток: удельное сопротивление, допустимая плотность тока, допустимая линейная скорость. Иногда учитывают также падение напряжения на щетках и удельное давление.

В настоящее время различают щетки угольно-графитовые (УГ), графитные (Г), электрографитированные (ЭГ) и медно-графитовые (М и МГ) с содержанием порошка меди, приведенные в таблице 3.2).

Таблица 3.2. Параметры электрических щеток

Тип щетки	Уд. сопр.,мкОм м	Доп.плот.тока, мА/м	Доп.лин. ск.,м/с
Г	10 - 46	7 - 11	12 – 25
УГ	18 - 60	6 - 8	10 – 15
ЭГ	10 - 45	9 - 11	25 – 45
М	От 0,05	12 - 20	12 – 25
МГ	До 1,2	12 - 20	12 - 25

 

Электрические щетки применяют в электрических машинах различного назначения и мощности, в том числе и в быстроходных машинах с колъцами для подвода или съема тока.

25 Энергетические уровни и зоны. Проводники, полупроводники и диэлектрики.

Энергетический спектр электронов в твердом теле существенно отличается от энергетического спектра свободных электронов (являющегося непрерывным) или спектра электронов, принадлежащих отдельным изолированным атомам (дискретного с определенным набором доступных уровней) — он состоит из отдельных разрешенных энергетических зон, разделенных зонами запрещенных энергий.

Согласно квантово-механическим постулатам Бора, в изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения (электрон находится на одной из орбиталей). В случае же системы нескольких атомов, объединенных химической связью, электронные орбитали расщепляются в количестве, пропорциональном количеству атомов, образуя так называемые молекулярные орбитали. При дальнейшем увеличении системы до макроскопического уровня, количество орбиталей становится очень велико, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях, соответственно очень маленькой — энергетические уровни расщепляются до двух практически непрерывных дискретных наборов — энергетических зон.

Наивысшая из разрешенных энергетических зон в полупроводниках и диэлектриках, в которой при температуре 0 К все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной, следующая за ней — зоной проводимости. В проводниках зоной проводимости называется наивысшая разрешенная зона, в которой находятся электроны при температуре 0 К. Именно по принципу взаимного расположения этих зон все твердые вещества и делят на три большие группы (см. рис.):

• 
  проводники — материалы, у которых зона проводимости и валентная зона перекрываются (нет энергетического зазора), образуя одну зону, называемую зоной проводимости (таким образом, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию);
  
• 
  диэлектрики — материалы, у которых зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет более 3 эВ (для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят);
  
• 
  полупроводники — материалы, у которых зоны не перекрываются и расстояние между ними (ширина запрещенной зоны) лежит в интервале 0,1–3 эВ (для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые полупроводники слабо пропускают ток).
  

Зонная теория является основой современной теории твердых тел. Она позволила понять природу и объяснить важнейшие свойства металлов, полупроводников и диэлектриков. Величина запрещенной зоны (энергетическая щель между зонами валентности и проводимости) является ключевой величиной в зонной теории и определяет оптические и электрические свойства материала. Например, в полупроводниках проводимость можно увеличить, создав разрешенный энергетический уровень в запрещенной зоне путем легирования — добавления в состав исходного основного материала примесей для изменения его физических и химических свойств. В этом случае говорят, что полупроводник примесный. Именно таким образом создаются все полупроводниковые приборы: солнечные элементы, диоды, транзисторы, твердотельные лазеры и др. Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости называют процессом генерации носителей заряда (отрицательного — электрона, и положительного — дырки), а обратный переход — процессом рекомбинации.

Зонная теория имеет границы применимости, которые исходят из трех основных предположений: а) потенциал кристаллической решетки строго периодичен; б) взаимодействие между свободными электронами может быть сведено к одноэлектронному самосогласованному потенциалу (а оставшаяся часть рассмотрена методом теории возмущений); в) взаимодействие с фононами слабое (и может быть рассмотрено по теории возмущений).

26 Собственная электропроводность полупроводников.

Полупроводниками являются твердые тела, которые при T = 0K имеют полностью занятую электронами валентную V зону, отделенную от зоны проводимости C сравнительно узкой запрещенной зоной. Своим названием они обязаны тому, что их проводимость меньше электропроводности металлов и больше электропроводности диэлектриков.

Различают собственные и примесные полупроводники. Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники (например, Ge, Se), а их проводимость называется собственной проводимостью.

При T = 0K и отсутствии внешнего возбуждения

собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении температуры электроны с верхних уровней валентной зоны V могут быть переброшены на нижние уровни зоны проводимости C. При наложении на кристалл внешнего электрического поля они перемещаются против поля и создают электрический ток. Проводимость, обусловленная электронами, называется электронной проводимостью или проводимостью n-типа (negative).

В результате переходов электронов в зону проводимости, в валентной зоне возникают вакантные состояния, получившие название дырок (hole, показаны на рисунке белыми кружками).Во внешнем поле на это вакантное место может переместиться соседний валентный электрон, при этом дырка "переместится" на его место. В результате дырка, так же как и перешедший в зону проводимости электрон, будет двигаться по кристаллу, но в направлении противоположном движению электрона. Формально это выглядит так, как если бы по кристаллу двигалась частица с положительным зарядом, равным по величине заряду электрона. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами — дырками, называется дырочной проводимостью или p-проводимостью (positive).

В собственных полупроводниках наблюдается, таким образом, электронно-дырочный механизм проводимости.

27 Распределение электронов по энергетическим уровням.

Каждый электрон в атоме движется в первом приближении в центрально-симметричном некулоновском поле. Состояние электрона в этом случае определяется тремя квантовыми числами: n и m, физический смысл которых был выяснен.

Таким образом, состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами:



Энергия состояния зависит в основном от чисел п и д. Кроме того, имеется слабая зависимость энергии от чисел ml и тs поскольку их значения связаны с взаимной ориентацией моментов, от которой зависит величина взаимодействия между орбитальным и собственным магнитными моментами электрона. За некоторыми исключениями, энергия состояния сильнее возрастает с увеличением числа n, чем с увеличением l. Поэтому, как правило, состояние с большим «обладает, независимо от значения l, большей энергией,

В нормальном (невозбужденном) состоянии атома электроны должны располагаться на самых низких доступных для них энергетических уровнях. Поэтому,казалось бы, в любом атоме в нормальном состоянии все электроны должны находиться в состоянии Is (я — 1, / = 0), а основные термы всех атомов должны быть типа 5-термов (L — Q). Опыт, однако, показывает, что это не так.

Объяснение наблюдаемых типов термов заключается в следующем. Согласно одному из законов квантовой механики, называемому принципом Паули1), в одном и том же атоме (или в какой-либо квантовой системе) не может быть двух электронов, обладающих одинаковой совокупностью четырех квантовых чисел. Иными словами, в одном и том же состоянии не могут находиться одновременно два электрона.

Данному п соответствуют, как мы уже знаем, п2 состояний, отличающихся значениями / и т\ ). Квантовое число ms может принимать два значения: ±7г. Поэтому в состояниях с данным значением п могут находиться в атоме не более 2/г2 электронов:



Совокупность электронов, имеющих одинаковые п и /, образует оболс-чку. Совокупность оболочек с одинаковым п образует группу или слой. В соответствии с значением п слоям дают обозначения, заимствованные из спектроскопии рентгеновских лучей:



Подразделение возможных состояний электрона в атоме на оболочки и слои показано в табл. 5, в которой вместо обозначений та = ±7г применены символы: fj. Оболочки, как указано в таблице, могут обозначаться двумя способами (например, L\ либо 2s).

Для полностью заполненной оболочки характерно равенство нулю суммарного орбитального и спинового моментов (L = 0; S = 0). Следовательно, момент количества движения такой оболочки равен нулю (У = 0.) Убедимся в этом на примере З^-оболочки. Спины всех десяти электронов, входящих в эту оболочку, попарно компенсируют друг друга, вследствие чего S = 0. Квантовое число проекции результирующего орбитального момента Ml этой оболочки на ось z имеет единственное значение  . Следовательно, L также равно нулю.

Таким образом, при определении L и S атома заполненные оболочки можно не принимать во внимание.

28 Примесная (донорная, акцепторная) электропроводность полупроводников.

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями (атомы посторонних элементов), тепловыми (пустые узлы или атомы в междоузлии) и механическими (трещины, дислокации) дефектами, называется примесной проводимостью,а сами полупроводники — примесными полупроводниками.

Полупроводники называются электронными (или полупроводниками n-типа) если проводимость в них обеспечивается избыточными электронами примеси, валентность которой на единицу большевалентности основных атомов.

 Например, пятивалентная примесь мышьяка (As) в

матрице четырехвалентного германия (Ge) искажает поле решетки, что приводит к появлению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем.В данном случае этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии   = 0,013эВ < kT, поэтому уже при обычных температурах тепловая энергия достаточна для переброски электронов с примесного уровня в зону проводимости.

Примеси, являющиеся источниками электронов называются донорами, а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями.

Таким образом, в полупроводниках n-типа (донорная примесь) реализуется электронный механизм проводимости.

Полупроводники называются дырочными (или полупроводниками p-типа) если проводимость в них обеспечивается дырками, вследствие введения примеси, валентность которой на единицу меньше валентностиосновных атомов.

Например, введение трехвалентной примеси бора (B) в матрицу четырехвалентного германия (Ge) приводит к появлению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня A не занятого электронами. В данном случае этот уровень располагается от верхнего края валентной зоны на расстоянии   = 0,08эВ. Электроны из валентной зоны могут переходить на примесный уровень, локализуясь на атомах бора. Образовавшиеся в валентной зоне дырки становятся носителями тока.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей — акцепторными уровнями. В полупроводниках p-типа (акцепторная примесь) реализуется дырочный механизм проводимости.

Таким образом, в отличие от собственной проводимости, примесная проводимость обусловлена носителями одного знака.

29 Процессы переноса зарядов в полупроводниках (дрейф, диффузия носителей)

Процесс переноса зарядов может наблюдаться в полупроводниках при наличии электронов в зоне проводимости и при неполном за­полнении электронами валентной зоны. При выполнении этих условий и в отсутствие градиента температуры перенос носителей зарядов может происходить либо под действием электрического поля, либо под действием градиента концентрации носителей заряда.

Дрейф носителей заряда

Направленное движение носителей заряда под действием элект­рического поля называют дрейфом. Электроны, получая ускоре­ние в электрическом поле, приобретают на длине свободного про­бега дополнительную энергию около 10-8— 10-4 эВ. При этом электроны переходят на более высокие энергетические уровни (разница в энергиях между соседними энергетическими уровнями в разрешенной зоне около 10-22 эВ). При очередном соударении электрона с атомом кристаллической решетки электрон отдает кристаллической решетке накопленную на длине свободного про­бега энергию, возвращаясь на один из низко лежащих энергети­ческих уровней в разрешенной зоне. Так можно представить про­цесс электропроводности в результате движения электронов в зоне проводимости и в валентной зоне. Однако, учитывая почти полное заполнение электронами энергетических уровней валент­ной зоны, удобнее рассматривать в валентной зоне движение дырок: дырки, двигаясь по направлению вектора электрического поля и приобретая в этом поле дополнительную энергию, пере­ходят по энергетической диаграмме на более низкие энергетиче­ские уровни.

В результате дрейфа электронов в полупроводнике появляется электронная составляющая плотности дрейфового тока, которую запишем на основании закона Ома:

где γп — удельная проводимость полупроводника (любого мате­риала) при одном виде имеющихся в нем носителей заряда — электронов; μп — подвижность электронов, т. е. величина, чис­ленно равная средней скорости их направленного движения в электрическом поле с напряженностью, равной единице.

Аналогично, дырочная составляющая плотности дрейфового тока

Полная плотность дрейфового тока при наличии свободных электронов и дырок равна сумме электронной и дырочной со­ставляющих:

где γ — удельная проводимость полупроводника (любого мате­риала) с учетом свободных электронов и дырок.

Диффузия носителей заряда

Поведение свободных электронов и дырок в полупроводнике на­поминает поведение молекул газа. Эту аналогию можно распро­странить и на явления, происходящие в результате неравномер­ного распределения концентрации носителей заряда в объеме полупроводника в отсутствие градиента температуры. В этом слу­чае происходит диффузия — движение носителей заряда из-за градиента концентрации, выравнивание концентрации носителей по полупроводнику,

зарядов).

30 Электронно-дырочный переход (контактные явления)

Контакт двух полупроводников имеющих разный тип проводимости PиN, при котором основная структура кристалла не нарушается, называется переходом. Иногда употребляют термин «Электронно-дырочный переход»

Соединить просто два полупроводника с разным типом проводимости невозможно или очень сложно (вследствие больших дефектов в зоне контакта). Поэтому должен быть создан один кристалл с непрерывной кристаллической решеткой, в которой область дырочной проводимости сменяется электронной. Иногда эту поверхность раздела называют металлургической границей. В зависимости от скорости по расстоянию (градиент) концентрации, переходы бывают резкие и плавные. В зависимости от степени легирования Р и Nобласти переходы могут быть симметричными и несимметричными.

Рассмотрим образование симметричного P-Nперехода.

До соединения частей с PиNпроводимостью зонные диаграммы были неодинаковы, так как уровень Ферми электронного полупроводника ближе к зоне проводимости, а у дырочного - ближе к валентной зоне (рис. 3.4.)



При соединении областей (выращивании структуры) картина меняется. Как только в одной кристаллической решетке в одном месте возникает избыток электронов, а в другой избыток дырок, то сразу возникает диффузионный ток (см. выше). Дырки стремятся равномерно распределиться по всему кристаллу и диффундируют в n- область, а электроны вследствие диффузии проникают в область дырок (как и прежде следует заметить, что это только диффузия заряженных частиц, а не атомов)

перехода, в которой диффузионный и дрейфовый токи равны. Аналогичный процесс происходит с дырками. На рис.3.5. представлено начало процесса перехода электронов и дырок в смежные области, где они являются неосновными.



Однако полного выравнивания не происходит. Уйдя в Р - область, электроны оставляют на месте, в узлах кристаллической решетки ядра примести с избыточным положительным зарядом. Пока электрон был рядом, этот заряд компенсировался. Теперь же «оголенные» ядра атомов примеси тянут электроны обратно (возникает дрейфовый ток). В итоге образуется узкая зона, в которой электроны, попавшие в дырочную область ре комбинировали с дырками, т.е. перешли на валентный уровень и перестали быть свободными носителями заряда. Аналогичный процесс произошел и с дырками. (рис.3.6.)



конечно нельзя считать дрейф и диффузию силами, так как они предполагают перемещение электронов. Однако для условности можно принять, что электрон в зоне перехода стоит на месте

На рис.3.6. представлена энергетическая и потенциальная диаграмма а также структура перехода. При этом уровни Ферми становятся одинаковыми, (вследствие равенства термодинамического равновесия единого вещества) а энергетические зоны искривляются.

При подаче на P-Nпереход внешнего напряжение можно уменьшать или увеличивать потенциальный барьер, образовавшийся естественным способом за счет диффузии. Если Р- область подключить к положительному полюсу, аN- область – к отрицательному, то такое включение перехода называется прямым, или пропускным. При этом величина внутреннего потенциального барьера уменьшится на величину приложенного напряжения. При этом создаются условия для диффузии дырок и электронов в смежные области, т.е. через переход течет ток. Приобратном подключении потенциальный барьер увеличивается, обедненная зона расширяется и ток уменьшается (проводимость падает).