Экзамен материалы. 1. Классификация материалов по электрическим свойствам. Виды проводников, полупроводников, диэлектриков с примерами
 Скачать 5.09 Mb.
|
|
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. 8. Остаточная поляризация Остаточная поляризация сохраняется в диэлектриках длительное время после выключения поляризующего поля и объясняется «замораживанием» ориентаций молекул, ионных диполей или доменов, созданных электрическим полем.  23. Сегнетоэлектрики. Образование доменной структуры. Зависимость электрической индукции от напряженности электрического поля. Механизм возникновения спонтанной поляризации Сегнетоэлектрики – это кристаллические диэлектрики, обладающие в определенном диапазоне температур и в отсутствие внешних электрических полей спонтанной электрической поляризацией, т.е. электрическим дипольным моментом. Спонтанная поляризация сегнетоэлектриков может существенным образом изменяться под влиянием внешних воздействий: электрических полей, давления, температуры и других внешних факторов. Изменение средних положений ионов при возникновении спонтанной поляризации обычно гораздо меньше, чем расстояние между соседними ионами. Поэтому направление спонтанной поляризации в сегнетоэлектриках легко изменяется под влиянием внешних воздействий. Изменение структуры неполярной (параэлектрической) фазы, переводящее ее в полярную фазу, может происходить либо за счет смещения ионов, либо за счет упорядочения некоторых ионных групп, занимающих в неполярной фазе несколько неэквивалентных положений. В первом случае происходит фазовый переход типа смещения, а во втором – фазовый переход типа порядок-беспорядок. При фазовом переходе в более низкосимметричное состояние возможно возникновение нескольких физически эквивалентных состояний новой симметричной структуры, по-разному ориентированных по отношению к бывшей ранее структуре. Такие области структуры с однородной атомно-кристаллической, магнитной или электрической структурами, определенным образом повернутые или сдвинутые относительно друг друга, называются доменами. Домены ограничены границами, в которых происходит постепенный переход от структуры одного домена к структуре соседнего домена. Образование многодоменной (или полидоменной) структуры энергетически выгодно, так как в отличие от монодоменного кристалла полидоменный кристалл не создает вокруг себя электрическое поле. В зависимости от температуры, свойств окружающей среды и структурных дефектов в сегнетоэлектрике образуется устойчивая полидоменная структура с размерами доменов от сотых долей до нескольких миллиметров  24. Пьезоэлектрики. Прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты. Механизм возникновения поляризации. Принцип работы кварцевого резонатора Пьезоэлектриками называются вещества, в которых при приложении механических напряжений возникает электрическая поляризация даже в отсутствие электрического поля. Этот эффект называется прямым пьезоэффектом. Его причиной является упругое смещение электрических зарядов под действием внешних механических сил. Наряду с прямым пьезоэффектом существует обратный пьезоэффект, заключающийся в возникновении механических деформаций под действием приложенного к пьезоэлектрику электрического поля. Пьезоэффект является одним из проявлений различных электромеханических эффектов, связанных с взаимодействием механических и электрических величин в диэлектрических материалах. Так, при помещении любого диэлектрика в электрическое поле свободный кристалл деформируется, а в зажатом кристалле возникают деформации. Во всех диэлектриках (и центросимметричных и без центра симметрии) в приложенном электрическом поле возникает эффект электрострикции - деформация, пропорциональная квадратичной степени поля.  Этот квадратичный эффект заметно проявляется лишь в сильных электрических полях (рис. 2.1) и обусловлен смещением электрических зарядов в поле. Только в твердых диэлектриках, не имеющих центра симметрии, наблюдаются прямой и обратный пьезоэффекты. Количественной характеристикой прямого и обратного пьезоэффекта в кристаллах является совокупность пьзоэлектрических констант (пьезомодулей), представляющих коэффициенты пропорциональности между электрическими и механическими параметрами  Пьезоконстанты различаются по величине и количеству независимых компонент для кристаллов различных типов. При прямом пьезоэффекте макроскопический электрический момент (поляризованность) возникает за счет смещения заряженных частиц (ионы, молекулы). В диэлектрике с центром симметрии такое смещение не приводит к возникновению поляризованного состояния, поскольку происходит компенсация электрических моментов положительных и отрицательных частиц вследствие их симметричности относительно центра. Поэтому электрострикция не имеет обратного эффекта  25. Пироэлектрики. Прямой и обратный пироэлектрический эффекты. Вторичный пироэффект. Применение пироэлектриков К классу полярных диэлектриков, обладающих спонтанной поляризацией, относятся пироэлектрики. Это кристаллические диэлектрики, на поверхности которых при изменении температуры возникают электрические заряды. При постоянной температуре поле спонтанной поляризации скомпенсировано свободными электрическими зарядами, накапливающимися вблизи поверхности полярного диэлектрика. При изменении температуры вследствие изменения интенсивности теплового движения частиц возникают изменения в расстоянии между атомами или ориентации молекул в полярных кристаллах. Это приводит к изменению величины спонтанной поляризации, в результате на поверхностях кристалла возникают нескомпенсированные электрические заряды. Поэтому пироэлектрические свойства наблюдаются только при достаточно быстром изменении температуры кристалла, когда свободные заряды не успевают компенсировать индуцированные заряды   26. Электреты. Способы получения электретов. Применение электретов. Их главной особенностью является способность сохранять объемные или поверхностные заряды, т.е. остаточную поляризацию, в течение длительного времени после выключения электрического поля. Вследствие наличия остаточной поляризации электрет создает вокруг себя электрическое поле, подобно тому как постоянный магнит создает в окружающем пространстве магнитное поле. Сохранение остаточной поляризации может происходить вследствие закрепления различных механизмов поляризации или наличия заряженных дефектов, обладающих дипольным моментом По характеру воздействий различают следующие виды электретов: термоэлектреты, фотоэлектреты, электроэлектреты, радиоэлектреты, механоэлектреты Только при формировании электроэлектретов достаточно сильного электрического поля. За счет различных способов электризации на поверхности электрета, находящийся под высоким электрическим потенциалом, формируется гомозаряд. В ряде случаев для формирования электретного состояния используются коронный или искровой электрические разряды, а также электронные пучки или пучки ионов. В любом случае электризация происходит на одной из поверхностей диэлектрика, а другая с помощью электрода из металлической пленки заземляется  |