Физические основы электроники

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Конспект лекций для студентов специальностей

«Сети связи и системы коммутации» и

«Многоканальные телекоммуникационные системы»

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2006

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ТЕМА 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

.1 Строение твердых тел

.2 Энергетические уровни и зоны

.3 Собственная проводимость полупроводников

.4 Глубокие уровни

.5 Примесные полупроводники

.6 Оптические и электрические свойства полупроводников

.7 Жидкокристальные приборы для отображения информации

.8 Твист-эффект

Контрольные вопросы к теме 1

ТЕМА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ТВЕРДЫХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

.1 Поляризация, электропроводность, диэлектрические потери, проницаемость

.2 Электропроводность диэлектриков, диэлектрические потери, диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность, виды пробоя в диэлектриках

.3 Сегнетодиэлектрики

.4 Пьезоэлектрики

.5 Активные диэлектрики

.6 Электропроводность газообразных диэлектриков

.7 Электролюминесценция, катодолюминесценция

Контрольные вопросы к теме 2

ТЕМА 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ПРОВОДНИКАХ

.1 Классификация проводников

.2 Полукристаллические и аморфные металлы и сплавы

.3 Особенности металлов в тонкопленочном состоянии

.4 Сверхпроводящие проводники. Статический эффект Джозефсона. Применение сверхпроводимости

.5 Контактная разность потенциалов, термо-эдс, эффекты

Контрольные вопросы к теме 3

ТЕМА 4. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ

.1 Магнитная структура доменов в кристаллах. Процесс намагничивания. Магнитный гистерезис, магнитная анизотропия

.2 Зависимость параметров от температуры. Свойства магнитных материалов в СВЧ полях

Контрольные вопросы к теме 4

ТЕМА 5. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛАХ

.1 Зонная модель полупроводников (ПП). Вырожденные и невырожденные ПП. Уровень Ферми в ПП. Зависимость уровня Ферми от температуры, степени концентрации примеси

.2 Понятие об электронно-дырочном переходе, типы переходов, токи в p-n-переходе

.3 Прямо смещенный p-n-переход

.4 Вольтамперные характеристики и p-n модель

.5 Эффект поля

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Значительные изменения во многих областях науки и техники обусловлены развитием электроники. Тенденция развития такова, что доля электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается, благодаря развитию интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск высококачественных, дешевых, не требующих специальной настройки и наладки микроэлектронных функциональных узлов различного назначения. На основе БИС и СБИС созданы и выпускаются микропроцессоры и микропроцессорные комплекты, представляющие собой вычислительную машину.

Развитие электроники характеризуется несколькими этапами. Ранее большое развитие получила аналоговая аппаратура. Но аналоговая аппаратура не могла обеспечить высокую точность сигнала, быстродействие, малую зависимость параметров от метрологических условий. В настоящее время применяется цифровая система обработки сигнала, что позволило применять ЭВМ, повысить точность обработки сигнала, универсальность использования, повысить быстродействие и надежность.

Эффективное применение ИМС невозможна без знания принципов их действия и основных параметров. Основу ИМС составляют элементарные схемы, физические процессы и особенности работы их можно пояснить на моделях собранных с помощью дискретных элементов.

Поэтому в конспекте лекций уделяется основное внимание пояснению физических процессов в различных дискретных элементах.

Конспект лекций составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по дисциплине «Физические основы электроники» для специальностей дневной формы обучения. При составлении конспекта использовался материал разнообразной технической литературы, так как нет одного учебника, который содержал бы необходимую информацию по всем разделам учебной программы. Это несколько облегчит труд студента и поможет сосредоточить внимание на изучении дисциплины.

ТЕМА 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

1.1   Строение твердых тел

. Виды связей

Все вещества - газообразные, жидкие и твердые - состоят из атомов и молекул. Способность атомов вступать в соединение с атомами других элементов и образовывать молекулы, обусловлены внешними валентными электронами.

Существующие виды связей:

а) ковалентная связь (рисунок 1.1) характеризуется образованием устойчивых электронных пар электронов, ранее принадлежавших отдельным атомам. Эти пары становятся общими для атомов, входящих в состав молекулы. Электроны при движении по молекулярной орбите чаще всего находятся между ядрами, где создается как бы избыток отрицательного заряда, что способствует сближению атомов.

Рисунок 1.1 - Молекулы с ковалентной связью

Если двухатомная молекула состоит из атомов одного элемента (H₂, N₂, Cl₂), то электронная пара в равной степени принадлежит обоим атомам, такую молекулу называют неполярной или нейтральной, у них центры положительных и отрицательных зарядов совпадают.

Если двухатомная молекула состоит из атомов различных элементов, то электронная пара может быть смещена к одному из атомов. Такую ковалентную связь называют полярной, а молекулу с полярной связью, у которой центры зарядов не совпадают, - полярными или дипольными. Дипольная молекула характеризуется величиной электрического дипольного момента, измеряемого в Кл·м:

,

где q - значение заряда, Кл;

l - расстояние между центрами зарядов.

Материалы с ковалентными связями характеризуются высокой твердостью, тугоплавкостью (Кремний).

б) ионная связь - вызывается силами электрического притяжения между положительными и отрицательными ионами. К ним относятся ряд металлов и типичные металлы. Например: хлористый цезий ClCs и титанита барий BaTiO₃, оксиды Cu₂O, ZnO, Fe₂O₃, NiO. Молекулы таких веществ - полярные, ионная связь менее прочная, чем ковалентная.

в) металлическая связь, в основном в металлах. Атом, отдавший внешний электрон, превращается в положительный ион, или вновь присоединяется, превращаясь в нейтральный атом. Т.е. металл можно рассматривать как систему, построенную из положительных ионов, находящихся в среде свободных электронов.

2. Кристаллическое строение веществ:

а) кристаллические - если атомы или молекулы характеризуются геометрически упорядоченным расположением;

б) аморфные (бесструктурные) - характеризуются хаотическим расположением;

в) аморфно - кристаллические, т.е. могут находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии (SiO₂).

3. Кристаллические вещества - это большинство твердых веществ обладающих кристаллическим строением. Форма внутреннего строения - это геометрически правильное расположение атомов или молекул. Кристаллические решетки классифицируют по виду частиц и по форме элементарных ячеек. Возможны 14 видов пространственных решеток: триклинная, моноклинная, таллическая, тетрагональная, ромбоэдрическая, гексагональная, кубическая и т.д.

Триклинная - обладает наименьшей пространственной асимметрией, так как все ребра ячейки различны и не составляют между собой прямого угла.

Кубическая - наибольшая пространственная симметрия, так как ребра одинаковы, между собой составляют прямой угол.

Остальные - занимают промежуточные положения.

Кристаллические решетки обладают размерами, которые характеризуют ее параметр - это расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку.

Параметр кубической решетки обозначают буквой, а≈0,28-0,6 Нм.

Параметр гексагональной решетки - обозначается двумя индексами: а - сторона шестигранника, с - высота призмы.

В зависимости от вида частиц, образующих кристаллическую решетку, различают: атомные, ионные, металлические и молекулярные решетки.

Атомные - в узлах нейтральные атомы связанные ковалентной связью.

Ионные - в них чередуются положительные и отрицательные ионы (ионная связь).

Металлические - в узлах положительные ионы, в промежутках - свободные электроны.

Молекулярные - в узлах молекулы, а связь - ковалентная и ионная.

4. Дефекты кристалла

Кристаллическая решетка. Полупроводники, как правило, - твердые тела с регулярной кристаллической структурой - монокристаллы. Их кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек той или иной формы и размера. В случае простейшей кубической решетки (Ge, NaCl и др.) ребро элементарной ячейки - куба - есть постоянная решетки а (0,4-0,6 нм). Кубическая решетка типа алмаза (Si, Ge) состоит из тетраэдров (рисунок 1.2); расстояние между смежными атомами около 0,25 нм.

Рисунок 1.2 - Структура кристаллической решетки типа алмаза

Связь атомов в кристаллической решетке кремния и ряда других полупроводников обусловлена специфическими обменными силами, возникающими в результате по парного объединения валентных электронов у смежных атомов. Такая связь (при которой каждый из атомов остается нейтральным) называется ковалентной или просто валентной. Регулярность (периодичность) структуры кристалла приводит к зависимости его свойств от направления в кристаллической решетке - к анизотропии. Оценивать направление, т.е. «ориентироваться» в кристаллической решетке принято с помощью кристаллографических плоскостей. Эти плоскости обозначают трехзначными индексами Миллера. Для обозначения индексы Миллера заключают в круглые скобки: (111), (100) и т.п.

Происхождение индексов Миллера показано на рисунке 1.3, а применительно к простейшей кубической решетке. Отрезки, отсекаемые данной плоскостью на осях координат, измеряют в единицах постоянной решетки: х = la, у = ma, z = na, где l, m, n - целые числа. Затем обратные величины l^-1, m^-1, n^-1 приводят к общему наименьшему знаменателю, и знаменатель отбрасывают; тогда числители образуют индексы Миллера для данной плоскости.

Заметим, что каждой кристаллографической плоскости свойственна своя плотность атомов на единицу площади. Например, если «посмотреть» на кристалл с кубической решеткой перпендикулярно плоскостям (100), (110) и (111), то расположение атомов в поле зрения будет таким, как показано на рисунке 1.3, б (для ясности узловые атомы пронумерованы). Наибольшая плотность атомов соответствует плоскости (111), наименьшая - плоскости (100). У кремния плоскость (111) является плоскостью спайности: по ней, как правило, распространяются трещины, и происходит раскалывание кристалла.

а - происхождение индексов Миллера;

б - расположение атомов в кристаллографических плоскостях

Рисунок 1.3 - Кристаллографические плоскости

Для разных кристаллографических плоскостей оказываются разными многие свойства и параметры кристалла: оптические свойства, скорость травления и др. Поэтому пластины для изготовления ИС шлифуют точно по заранее заданной кристаллографической плоскости.

Искажения кристаллической решетки. Структура кристалла никогда не бывает, идеальна - ни в объеме, ни тем более на поверхности. Всегда имеются дефекты решетки и дислокации.

Дефекты решетки могут иметь вид пустого узла (дефект по Шоттки) или совокупности пустого узла и междоузельного атома (дефект по Френкелю). Это - дефекты точечного типа (рисунок 1.4, а, б).

а - дефект по Шоттки;

б - дефект по Френкелю;

в - примесные дефекты

Рисунок 1.4 - Точечные дефекты кристаллической решетки

Любой реальный полупроводник содержит примеси - либо паразитные, от которых не удается избавиться при очистке, либо полезные, которые вводятся специально для получения нужных свойств кристалла. Каждый примесный (т.е. чужеродный) атом равносилен точечному дефекту решетки. Примесные атомы (рисунок 1.4, в) могут располагаться либо в междоузлиях решетки (примесь внедрения - 1), либо в самих узлах - вместо основных атомов (примесь замещения - 2). Последний вариант более распространен.

Дислокации, т.е. смещения плоскостей решетки, бывают линейные (краевые) и винтовые (спиральные). Первые - результат неполного (не по всей глубине) сдвига решетки: появляется незаконченная полуплоскость атомов (рисунок 1.5, а). Вторые - результат полного (по всей глубине) сдвига некоторого участка решетки (рисунок 1.5, б).

а - линейные; б - винтовые

Рисунок 1.5 - Дислокации в кристаллической решетке

Наличие дислокаций приводит к дефектам ИС. Поэтому количество дислокаций на пластине полупроводника ограничивают.

Предельным случаем беспорядочных дислокаций можно считать поликристалл, состоящий из множества монокристаллических зерен (микрокристаллов) с разной ориентацией, тесно примыкающих друг к другу. В поликристаллах отсутствует регулярность структуры и свойственная ей анизотропия свойств.

Поэтому поликристаллы не стали основой для наиболее ответственных - активных элементов ИС и играют в микроэлектронике вспомогательную роль.

Кроме поликристаллических (зернистых) твердых тел, существуют аморфные, т.е. совершенно однородные, бесструктурные. Из-за плохой воспроизводимости и стабильности свойств аморфные полупроводники на практике находят лишь узкоспециальное применение.

Помимо дислокаций, в пластинах полупроводника имеют место макроскопические дефекты: микротрещины, поры (пузырьки) и т.п. Все это - потенциальные причины брака в ИС.

Поверхность кристалла. У атомов, расположенных на поверхности кристалла, часть ковалентных связей неизбежно нарушается из-за отсутствия «соседей» по другую сторону границы раздела. Количество нарушенных связей зависит от кристаллографической ориентации поверхности. Например, для кремния в плоскости (111) оказывается оборванной одна из четырех связей, а в плоскости (100) - две (рисунок 1.6).

а - в плоскости(111); б - в плоскости(100)

Рисунок 1.6 - Нарушение ковалентных связей на поверхности кристалла

Нарушение ковалентных связей влечет за собой нарушение энергетического равновесия на поверхности. Равновесие восстанавливается разными путями: может измениться расстояние между атомами в приповерхностном слое, т.е. структура элементарных ячеек кристалла; может произойти захват - адсорбция - чужеродных атомов из окружающей среды, которые полностью или частично восстановят оборванные связи; может образоваться химическое соединение (например, окисел), не имеющее незаполненных связей на поверхности, и т.п. В любом случае структура тонкого приповерхностного слоя (толщиной несколько нанометров и менее) отличается от структуры основного объема кристалла.

Как следствие, электрофизические параметры приповерхностного слоя заметно отличаются от параметров объема, причем этот вывод не зависит от того граничит ли кристалл с вакуумом, воздушной средой или другим твердым телом. Поэтому приповерхностный или граничный слой (часто говорят просто - поверхность или границу) следует рассматривать как особую область кристалла. Эта область играет важную роль в микроэлектроники, так как элементы планарных ИС располагаются непосредственно под поверхностью, а размеры рабочих областей часто соизмеримы с толщиной граничных слоев.

1.2  
Энергетические уровни и зоны

Количественный анализ полупроводников и полупроводниковых приборов базируется на зонной теории твердого тела.

Зонная структура. Твердое тело представляет собой множество атомов, сильно взаимодействующих друг с другом благодаря малым межатомным расстояниям. Поэтому вместо совокупности дискретных энергетических уровней, свойственных отдельному атому» твердое тело характеризуется совокупностью энергетических зон.

Верхняя разрешенная зона называется зоной проводимости, нижняя - валентной зоной. В полупроводниках и диэлектриках они разделены запрещенной зоной. Отличие диэлектриков от полупроводников состоит главным образом в значительно большей ширине запрещенной зоны. При нулевой абсолютной температуре валентная зона всегда полностью заполнена электронами, тогда как зона проводимости либо заполнена только в нижней части, либо полностью пуста. Первый случай свойствен металлам, второй - полупроводникам и диэлектрикам.

При температуре, отличной от абсолютного нуля, ситуация несколько изменяется.

Энергетические диаграммы на рисунке 1.7 построены для энергии электрона. Когда энергия электрона увеличивается, электрон занимает более высокое положение в зонной диаграмме. Если же говорить об увеличении энергии дырки, то это будет соответствовать, очевидно, продвижению дырки вглубь валентной зоны. Энергия электрона и дырки измеряется в электрон-вольтах (эВ).

Ширина запрещенной зоны равна:

, (1.1)

где  и  - соответственно энергетические уровни для зоны проводимости и потолка валентной зоны.

а - металл; б - диэлектрик; в - собственный полупроводник;

I - зона проводимости; II - валентная зона; III - запрещенная зона

Рисунок 1.7 - Зонные диаграммы металла, диэлектрика и полупроводника

На рисунке 1.8 показаны основные параметры зонных диаграмм полупроводников для температуры, отличной от абсолютного нуля. Ширина запрещенной зоны зависит от температуры:

 (1.2)

где  - ширина зоны при Т=0;

Т - абсолютная температура;

 - температурная чувствительность.

Для кремния  = 3 10^-4 В/С, а при комнатной температуре  = 1,11В.

Энергию, соответствующую середине зоны, называют электростатическим потенциалом.

 (1.3)

а - собственного; б - электронного; в - дырочного полупроводников

Рисунок 1.8 - Значение энергий в зонной диаграмме

1.3   Собственная проводимость полупроводников

Под действием внешних факторов некоторые валентные электроны атомов кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей. Так, при любых температурах выше абсолютного нуля атомы твердого тела колеблются около узлов кристаллической решетки. Чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний. Время от времени энергия этих колебаний, отдельные флуктуации которой могут превышать ее среднее значение, сообщается какому-либо электрону, в результате чего его полная энергия оказывается достаточной для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит вероятностный характер.

В соответствии со статистикой Ферми - Дирака вероятность того, что состояние с энергией W при данной температуре Т будет занято электроном, выражается функцией:

f_n = (W,T) = 1/e^W-WF/kT + 1 = 1/exp(W-W_F/kT) + 1 (1.4)

где k - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура.

Очевидно, имеются только две возможности:

) уровень с энергией W будет занят электроном и 2) уровень не занят электроном. Величина W_F называется энергией, или уровнем Ферми, При любых значениях температуры уровень Ферми совпадает с тем энергетическим уровнем, для которого характерна вероятность занятия (или не занятия) его электроном р = 1/2, т. е. 50%.

С увеличением температуры концентрация свободных электронов в полупроводнике возрастает по экспоненциальному закону:

 (1.5)

где n_i - количество свободных электронов в 1см³ химически чистого полупроводника;

ΔW - ширина запрещенной зоны;

n₀ - коэффициент, равный 2 * 10¹³ см^-3 для германия и 2 * 10¹⁰ см ^-3 для кремния;

k - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура.

Таким образом, если извне будет подведена энергия, достаточная для перехода электрона через запрещенную зону, то полупроводник будет обладать определенной проводимостью.

На рисунке 1.9 изображена энергетическая диаграмма беспримесного полупроводника и распределение Ферми - Дирака при различных температурах. По оси абсцисс отложена вероятность (р) заполнения электронами соответствующих энергетических уровней. На этом рисунке минимальное значение энергии зоны проводимости обозначено W_п, максимальное значение энергии валентной зоны - W_в. При температуре абсолютного нуля все валентные уровни заполнены с вероятностью, равной единице, а вероятность заполнения любого уровня зоны проводимости равна нулю. Этому случаю соответствует распределение Ферми - Дирака в виде графика 1 (ломаная линия). При комнатной температуре часть валентных электронов переходит в зону проводимости. Поэтому вероятность заполнения электронами валентной зоны оказывается несколько меньше единицы, а вероятность заполнения электронами зоны проводимости - больше нуля (кривая 2). Уровень Ферми располагается посредине запрещенной зоны. Вероятность заполнения этого уровня равна 0,5. Однако поскольку он находится в запрещенной зоне, то фактически электроны не могут стабильно находиться на этом уровне.

При значительном увеличении температуры kT растет, стремясь к бесконечности. Поэтому вероятность заполнения любого разрешенного уровня (1.8) будет стремиться к 0,5 (прямая 3 на рисунке 1.9).

Как известно, для полупроводников ширина запрещенной зоны, разделяющей зону энергии валентных электронов от зоны проводимости, незначительна. Например, для германия ширина запрещенной зоны равна 0,67 эВ, а для кремния - 1,1 эВ. Поэтому для получения заметной проводимости в этих веществах обычно достаточно тепловой энергии, возникающей у электронов при комнатной температуре.

При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает как бы свободное место, обладающее положительным элементарным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Такое освободившееся в электронной связи место условно назвали дыркой, а процесс образования пары электрон - дырка получил название генераций зарядов. Дырка обладает положительным зарядом, поэтому она может присоединить к себе электрон соседней заполненной ковалентной связи. В результате этого восстанавливается одна связь), от процесс называют рекомбинацией) и разрушается соседняя или, другими словами, заполняется одна дырка и одновременно с этим возникает новая в другом месте. Такой генерационно-рекомбинационный процесс непрерывно повторяется, и дырка, переходя от одной связи к другой, будет перемещаться по кристаллу, что равносильно перемещению положительного заряда, равного по величине заряду электрона.

Рисунок 1.9 - Энергетическая диаграмма и графики распределения Ферми - Дирака для беспримесного полупроводника при различных температурах

Рисунок 1.10 - Принцип дырочной проводимости

При этом надо иметь в виду, что концентрация дырок в идеальной кристаллической решетке химически чистого (собственного) полупроводника (p_i) всегда равна концентрации свободных электронов;

p_i = n_i. (1.6)

Пользуясь соотношением (1.5), можно подсчитать, что при комнатной температуре (Т = 293 К) число свободных электронов в беспримесном германии равно n_i = 2,5 - 10¹³ см^-3.

Учитывая, что в каждом кубическом сантиметре объема германия находится примерно 4,4 * 10²² атомов, можно заключить, что один свободный электрон приходится на миллиард атомов вещества.

В кремнии при той же температуре количество свободных электронов из-за большей ширины запрещенной зоны меньше и составляет n_i = 1,4 * 10¹⁰ см^-3.

Скорость генерации носителей V_ген (как и скорость рекомбинации V_рек) определяется свойствами полупроводника и его температурой. Скорость рекомбинации, кроме того, пропорциональна концентрации электронов и дырок, так как чем больше количество носителей, тем вероятнее, что их встреча завершится рекомбинацией. Учитывая, что в установившемся режиме должно существовать динамическое равновесие (скорость генерации V_ген должна быть равной скорости рекомбинации V_рек), получим

V_ген = V_рек = r n_i p_i = r n_i² (1.7)

где r - множитель, определяемый свойствами полупроводника.

Это условие называют условием равновесной концентрации носителей в собственном полупроводнике.

При отсутствии внешнего электрического поля электроны и дырки перемещаются в кристалле хаотически вследствие теплового движения. В этом случае ток в полупроводнике не возникает. Если же на кристалл действует электрическое поле, движение дырок и электронов становится упорядоченным и в кристалле возникает электрический ток. Чтобы понять, как перемещаются дырки, рассмотрим рисунок 1.10, на котором изображено несколько одних и тех же атомов, расположенных вдоль полупроводника, в различные моменты времени. Пусть в некоторый начальный момент времени в крайнем атоме 1, расположенном слева, появилась дырка вследствие того, что из этого атома «ушел» электрон. В этом случае атом становится заряженным положительно и может притянуть к себе электроны соседнего атома. При наличии электрического поля, направленного слева направо, электрон атома 2 двигаясь против силовых линий поля, заполнит дырку в первом атоме, но зато образуется новая дырка в атоме 2 (рисунок 1.10, б). Последовательно переходя от одного атома к другому, дырка через некоторое время образуется в крайнем правом атоме 6 (рисунок 1.10, е). Таким образом, проводимость полупроводника обусловлена перемещением, как свободных электронов, так и дырок. В первом случае носители зарядов отрицательны (негативны), во втором - положительны (позитивны). Соответственно различают два вида проводимости полупроводников - электронную, или проводимость типа n (от слова negative - отрицательный), и дырочную, или проводимость типа р (от слова positive - положительный).

В химически чистом кристалле полупроводника число дырок всегда равно числу свободных электронов и электрический ток в нем образуется в результате одновременного переноса зарядов обоих знаков. Такая электронно-дырочная проводимость называется собственной проводимостью полупроводника. При этом общий ток в полупроводнике равен сумме электронного и дырочного токов. Это условие может быть записано так:

J = J_n + J_p (1.8)

где J - плотность тока, А/см²; J_n - плотность электронной составляющей тока; J_p - плотность дырочной составляющей тока.

Величина плотности тока зависит от скорости перемещения носителей заряда в полупроводнике. Поскольку электронам при движении внутри кристалла приходится непрерывно сталкиваться с атомами кристаллической решетки, скорость их движения характеризуется, некоторой средней величиной V_nср. Средняя скорость движения электрона прямо пропорциональна напряженности электрического поля, воздействующего на полупроводник, т. е:

V_{n ср} = μ_nE, (1.9)

где μ_n - коэффициент пропорциональности, который называют подвижностью электронов.

Подвижность μ_n [м²/(В с)] численно равна средней скорости перемещения электрона под действием электрического поля напряженностью 1 В/м:

μ_n = V_{n ср}/E, (1.10)

Аналогичные процессы происходят и при упорядоченном движении дырок через кристалл. Поэтому:

V_{n ср} = μ_рE, (1.11)

где V_{Р СР} - средняя скорость движения дырки; μ_Р - коэффициент пропорциональности, который называют подвижностью дырок. Величина подвижности зависит от типа полупроводника (структуры его кристаллической решетки, химического состава, температуры и т. д.).

Для германия подвижность электронов при комнатной температуре равна приблизительно 0,39 м²/(В с), а для кремния - 0,135 м²/(В с). Подвижность дырок для германия составляет 0,19 м²/(В с), а для кремния - 0,05 м²/(В с).

Известно, что плотность тока численно равна заряду (в кулонах), проходящему через единицу площади в 1 с. Следовательно,

J_n = en_iV_{n ср} = en_iμ_nE, (1.12)

где е - заряд электрона;

n_i - концентрация электронов.

Аналогично для дырочного тока:

J_P = ep_iμ_pE (1.13)

Общая плотность тока:

J = J_n + J_p = e(μ_nn_i + μ_pp_i)E (1.14)

В то же время плотность тока по закону Ома равна:

J = σE, (1.15)

где σ - удельная электропроводность вещества.

Сравнивая (1.14) и (1.15), получаем:

σ = e(μ_nn_i + μ_pp_i) (1.16)

В результате можно сделать следующее заключение: удельная электропроводность полупроводника зависит от концентрации электронов и дырок и от их подвижности. Согласно (1.5) и (1.6) получим:

 (1.17)

Эта формула показывает, что удельная электропроводность полупроводника зависит от типа вещества (так как в формулу входят величины n₀ и ΔW), а также от температуры. Чем выше температура, тем удельная электропроводность выше, причем эта зависимость носит экспоненциальный характер.

1.4  
Глубокие уровни

Донорные и акцепторные уровни, называют мелкими, имея в виду их незначительное отличие от соответствующих разрешенных энергетических уровней, зон («расстояния»).

Глубокие уровни - ряд примесей, имеющих в ПП (или специально вводимых в него), расположены вблизи середины запретной зоны.

В кремнии глубокие уровни характерны для золота, меди, никеля и др. Такие примеси обычно не являются ни донорами, ни акцепторными, но они выполняют важную роль в работе ПП.

Рисунок 1.11 -Захват и отдача электронов в ПП с глубокими уровнями.

Энергия активации в этом случае достаточно большая, поэтому атомы таких примесей практически не ионизируются, соответственно не изменяют концентрации свободных носителей, тем не менее, роль глубоких уровней существенна, так как представляют собой «ловушки» или центры захвата подвижных носителей.

Электрон, попавший из разрешенной зоны на ловушку (непрерывные стрелки), остаются на ней в течение некоторого времени - времени релаксации. После этого (штриховые линии) он может вернуться в эту зону (вариант 1 и 3), либо перейти в другую (вариант 2 и 4).

В первом случае происходит небольшое временное изменение количества свободных носителей - электронов (вариант 1) или дырок (вариант 3).

Во втором случае происходит либо двухступенчатая рекомбинация (вариант 2), либо двухступенчатая генерация (вариант 4).

Вероятность двухступенчатых процессов больше, чем одноступенчатых. Поэтому в присутствии ловушек процессы генерации - рекомбинации идут, значительно интенсивнее и время жизни носителей оказывается значительно меньше.

Захват электронов глубокими уровнями характеризуются для поверхности полупроводника. Поверхностные уровни. На поверхности ПП создается тонкий приповерхностный слой толщиной несколько межатомных расстояний, в этом слое происходят структурные нарушения решетки и адсорбированные атомы создают дополнительные энергетические уровни (иногда и целые зоны). Эти уровни называют поверхностными уровнями. Они могут занимать разные места в запрещенной зоне ПП, аналогично донорным, акцепторным и ловушечным уровнем. В зависимости от времени реакции поверхностные - состояния делят на быстрые и медленные. Быстрые порядка 10^-8с, медленные ≈ 10^-3с, вплоть до нескольких секунд.

Рисунок 1.12 - Зонная диаграмма и поверхностные уровни

Наличие поверхностных уровней приводит к различию электрофизических параметров поверхностного слоя и объема. Различия зависят от плотности поверхности состояний, это учитывают при изготовлении интегральных схем. Степень различия зависит от плотности поверхности состояний N_SS. Характеризуется количеством дополнительных уровней в приповерхностном слое на единицу площади.

1.5   Примесные полупроводники

Если в кристалл германия или кремния добавить примесь элементов третьей или пятой групп таблицы Менделеева, то такой полупроводник называется примесным. Примеси могут быть донорного и акцепторного типов.

Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электронами и отдающий в возбужденном состоянии электрон в зону проводимости, называют донором.

Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень свободный от электронов в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны при возбуждении, создавая дырки в валентной зоне, называют акцептором.

Рассмотрим образование примесных полупроводников.

При внесении в предварительно очищенный кремний, германий примеси пятивалентного элемента - донора (фосфор Р, сурьма Sb, мышьяк As) атомы примеси замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки (рисунок 1.13, а).

При этом четыре из пяти валентных электронов атома примеси образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами полупроводника. Пятый электрон оказывается избыточным (рисунок 1.13, б).

Энергия ионизации донорных атомов значительно меньше энергии ионизации собственных полупроводников. Поэтому при комнатной температуре избыточные электроны примеси возбуждаются и переходят в зону проводимости. Атомы примесей, потерявшие избыточный электрон, превращаются в положительные ионы.

Рисунок 1.13 - Структура и зонная диаграмма полупроводника с донорной примесью

Количество электронов N_Д, переходящих под действием тепловой энергии в зону проводимости с донорного уровня W_Д, значительно превышает количество электронов n_i переходящих в зону проводимости из валентной зоны в процессе генерации пар электрон - дырка. Поэтому можно считать, что концентрация электронов проводимости полностью определяется концентрацией донорной примеси n_n << N_д, а концентрация дырок составляет:

(1.18)

Концентрация дырок в донорном полупроводнике значительно ниже, чем в собственном полупроводнике. В связи с этим дырки р_n являются неосновными носителями, а электроны n_n - основными.

Рисунок 1.14 - Структура и зонная диаграмма полупроводника с акцепторной примесью

Поэтому донорный полупроводник называется электронным полупроводником или полупроводником n - типа.

При добавлении в кристалл германия или кремния примеси трехвалентного элемента - акцептора (галлий Ga, индий In, бор В) атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы полупроводника. Для образования четырех ковалентных связей не хватает одного валентного электрона атомов примеси (рисунок 1.14, а).

Достаточно небольшой внешней энергии, чтобы электроны из верхних уровней валентной зоны переместились на уровень примеси, образовав недостающие ковалентные связи (рисунок 1.14, б).

При этом в валентной зоне появляются избыточные уровни (дырки), которые участвуют в создании электрического тока. За счет ионизации атомов исходного материала часть электронов из валентной зоны попадают в зону проводимости. Число дырок в акцепторном полупроводнике превышает число электронов:

(1.19)

где N_a - концентрация атомов акцепторной примеси.

Поэтому дырки р_р являются основными носителями, а электроны n_р - неосновными. Полупроводники с акцепторной примесью носят название дырочных, или полупроводников p-типа.

1.6   Оптические и электрические свойства полупроводников

Вследствие отражения и поглощения света ПП интенсивность падающего на него монохроматического излучения I₀ уменьшается до некоторой величины I, в соответствии с законом Бугера-Ламберта:

I = I₀ (1 - R) e (-α x),

где R - коэффициент отражения;

x - расстояние от поверхности ПП до данной точки вдоль луча;

α - коэффициент поглощения (равный толщине слоя).

Поглощение света связано с различными процессами: возбуждением электронов и переходом их из валентной зоны в зону проводимости; изменение колебательной энергии атомов решетки.

Собственные поглощения - это переход электрона из валентной зоны в зону проводимости.

Примесное поглощение - связано с ионизацией примеси или возбуждение электрона нейтральной примеси в кристалле.

Используются полупроводниковые приборы принцип работы, которых основан на фотоэлектрическом и электрооптическом преобразовании сигналов.

Электрооптический эффект - это изменение комплексной диэлектрической проницаемости в оптическом диапазоне под действием электрического поля. Это явление используется для модуляции света и управления световым лучом. Материалы, предназначенные для использования эффекта, называют электрооптическими.

Эффект возникает за счет изменения диэлектрической проницаемости (или показателя преломления n=√ε) или рассеянием света при воздействии внешнего электрического поля.

На практике оценивают эффект зависимостью от U внешнего поля Е не самой диэлектрической проницаемости в оптическом диапазоне, а обратной ей величины а=1/ε, называемой поляризационной постоянной (константой).

Эффект зависимости от кристалла. В центросимметричной и изотропной среде (жидкостях) значение Е не зависит от знака приложенного U (функция четная) (кривая 1,рисунок 1.15)

Рисунок 1.15 - Зависимость ε=f(E)

∆а(ε)=RE²,

т.е. пропорциональны квадрату напряженности (R - электрооптический коэффициент Кюри).

В нецентросимметричных - зависимость линейного ∆a=r_ikΣ_k, это линейный электрооптический эффект, он существует только в веществах, которые обладают пьезоэффектом (кривая 2).

Материалы: ниобат, танталат, литий, сейчас электрооптическая керамика.

Она применяется как элемент памяти, так как изменения показателя преломления, вызванные приложением Е, сохраняются и после снятия поля.

Существует особый электрооптический эффект - электрически управляемое рассеяние света.

Если керамика поляризована параллельно направлению распространения света, то свет проходит через нее, почти не рассеиваясь.

Если кристалл поляризовать перпендикулярно направлению, то свет интенсивно рассеивается доменной структурой и почти не проходит в прямом направлении, это используется для считывания хранимой информации, возможна и запись, но для этого платину покрывают слоем фотополупроводника.

1.7   Жидкокристальные приборы для отображения информации

По структуре жидкие кристаллы подразделяют на три класса: нематические, смектические и холестерические.

В нематических кристаллах удлиненные молекулы выстроены в виде нитей, как показано на рисунке 1.16, а (слово «немое» по-гречески означает нить). Направление преимущественной ориентации молекул является оптической осью кристалла.

а - нематических; б - смектических; в - холестерических

Рисунок 1.16 - Структура жидких кристаллов

В смектических, жидких кристаллах параллельно ориентированные молекулы упакованы в слои (рисунок 1,16, б) и таким образом имеют большую степень упорядочения. Если одно и то же вещество может находиться в обеих жидкокристаллических модификациях, то смектическая фаза расположена по температуре ближе к твердой фазе, чем нематическая. Например, в n-гептилоксибензойной кислоте происходят следующие фазовые превращения с повышением температуры:

Слоистая упаковка молекул создает анизотропию не только оптических, но и механических свойств, поскольку слои легко смещаются относительно друг друга. Слово «смектос» по-гречески - мыло; к этим кристаллам относятся мыльные растворы.

В холестерических, жидких кристаллах пластинчатые молекулы также укладываются в слои, но ориентировка их плавно меняется от слоя к слою, так как молекулы выстраиваются по пространственной спирали (рисунок 1.16, в). К этому классу относятся в основном соединения холестерина.

Ориентационный порядок в расположении молекул приводит к анизотропии свойств жидких кристаллов: показатель преломления, диэлектрическая и магнитная проницаемости, удельное сопротивление, вязкость и другие параметры в направлении, параллельном молекулярным осям, и в перпендикулярной плоскости неодинаковы (рисунок 1.16 б).

Свойства жидких кристаллов сходны со свойствами сегнетоэлектриков. Как и сегнетоэлектрики, жидкие кристаллы разбиты на домены - области с одинаковыми направлениями осей молекул. В переменном электрическом поле для некоторых из них характерны петли гистерезиса с ярко выраженным насыщением. В точках фазового перехода диэлектрическая проницаемость ε имеет максимум, исчезающий с повышением частоты, как у дипольных сегнетоэлектриков. Однако время переориентации диполей в жидких кристаллах велико по сравнению с сегнетоэлектриками, и петли гистерезиса и максимум ε наблюдаются лишь на очень низких частотах (< 1 Гц).

Рисунок 1.17 - Температурная зависимость показателей преломления параазоксианизола в направлении параллельном (n₀) и перпендикулярном (n₁) молекулярным осям

Структура жидких кристаллов очень подвижна и легко изменяется при внешних воздействиях: электрического и магнитного поля, температуры, давления и т. д. Изменение структуры в свою очередь приводит к изменениям оптических, электрических и других свойств. Поэтому можно управлять свойствами жидких кристаллов путем очень слабых внешних воздействий, т. е. использовать их в качестве чувствительных индикаторов этих воздействий. На практике используют изменение оптических свойств при внешних воздействиях электрическим полем в нематических кристаллах и тепловым - в холестерических.

Жидкие кристаллы нематического типа применяют благодаря присущему им электрооптическому эффекту динамического рассеяния. Слабое электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, вызывает выстраивание молекул осями с высокой ε параллельно полю. Однако, если напряжение превысит некоторое пороговое значение, устойчивая доменная структура разрушается, возникает ячеистая структура, сопровождающаяся появлением гидродинамических течений. При дальнейшем увеличении напряжения течение в жидкости становится турбулентным, а вещество оптически неоднородным. Жидкий кристалл в таком неупорядоченном состоянии рассеивает свет во всех направлениях. Эффект динамического рассеяния приводит к изменению прозрачности жидкого кристалла под действием электрического поля. Поле может быть как постоянным, так и переменным с низкой частотой (до 10² - 10⁴ Гц в зависимости от материала). Время установления состояния динамического рассеяния составляет 1 - 10 мс, а исчезновения после снятия напряжения - 20-200 мс. Быстродействие индивидуальных жидкокристаллических соединений выше, чем смесей; оно повышается с увеличением напряжения.

В основу работы положено свойство некоторых веществ изменять свои оптические показатели (коэффициент поглощения, отражения, рассеивания, преломления, спектральное отражение и пропускание, оптическую разность хода, оптическую активность) под влиянием электрического поля.

Вследствие модуляции падающего света изменяется цвет участка, к которому приложено электрическое поле, и на поверхности вещества появляется рисунок требуемой конфигурации.

Жидкокристальные - сохраняют анизотропию физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей.

Характерной особенностью является то, что молекулы вещества имеют сравнительно большую длину и относительно малую ширину. Они относятся к диэлектрикам R=10⁶-10¹⁰, поэтому мощность потребляемая на питании ячейки, не должна превышать (5-50мкВт/см²).

Они самые простые и дешевые, экологичные, перспективно применяются в моногабаритных устройствах: наручных часах, карманных ЭВМ, хорошо совмещаются с микросхемами управления, выполненными по Моп-технологии.

Недостатки:

малый температурный диапазон (-20 - +55ºС);

непостоянство параметра во время работы и срока хранения;

низкое быстродействие.

По виду отображаемой информации ЖКИ бывают: цифровые, буквенно-цифровые, графические, мнемонические, шкальные.

1.8  
Твист-эффект

Твист-эффект - заключается в изменении угла вращения плоскости поляризации под влиянием электрического поля. Он наблюдается в нематических ЖК с положительной диэлектрической анизотропией.

Сущность заключается в том, что у ЖК, находящихся между двумя светопроводящими пластинками, длинные оси молекул параллельны пластинам, а сами молекулы «скручены» в спираль, аналогичную холестерическому ЖК, причем оси молекул, находящихся около разных пластин, взаимно перпендикулярны.

Слой скрученного нематического ЖК вращает плоскость поляризации проходящего света на угол, равный 90º.

При приложении U все молекулы ориентируются вдоль пола и эффект скручивания пропадает. Теперь слой ЖК не изменяет поляризации проходящего через него света. Если пластины, между которыми расположены ЖК, представляют собой поляроиды, то при наличии электрического поля свет будет проходить через систему, а при отсутствии - нет.

При перпендикулярности плоскостей поляризации включенное и выключенное состояния противоположны рассмотренному случаю.

Твист-эффект относится к числу чисто полевых. При его использовании не требуется наличие электрического тока.

Он обеспечивает получение хорошего контраста и проявляется при малых U (0,9-1,5).

Длительность переходного процесса включения-выключения 30-200мс.

Контрольные вопросы к теме 1

Указать энергетические зоны различных материалов и в чем их отличие.

Указать условие нейтральности.

Что такое собственная концентрация, от чего и как зависит?

Примесная проводимость и зависимость ее от температуры.

Как зависит подвижность носителей от температуры?

Понятие эффекта поля и его значимость.

Чем определяется собственная проводимость ПП и от чего она зависит.

Для чего вводят в собственный полупроводник примесь?

Что такое основные и неосновные носители зарядов?

 

ТЕМА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ТВЕРДЫХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

2.1 Поляризация, электропроводность, диэлектрические потери, проницаемость

Диэлектрики - вещества, у которых запрещенная зона настолько велика, что в нормальных условиях электропроводность в них отсутствует.

Подразделяются на электроизоляционные и активные.

Электроизоляционные - применяются для создания электрической изоляции между различными токоведущими частями.

Активные - применяются для усиления, генерации и преобразования сигнала. По агрегатному состоянию подразделяются: жидкие, газообразные и особая группа - твердеющие, которые в исходном состоянии являются жидкостями, но в процессе изготовления изоляции отверждаются и в период эксплуатации представляют собой твердые вещества, например, лаки.

По химической основе подразделяются: органические, неорганические, элементоорганические (промежуточные). Органические содержат углерод.

Поляризация. Это процесс, состоящий в органичном смещении или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздействии на него внешнего электрического поля, что приводит к образованию в объеме диэлектрика индуцированного электрического момента, равного векторной сумме дипольных электрических моментов молекул.

Интенсивность поляризации определяется поляризованностью (Р), измеряемой Кл/м². Если электрическое поле однородное, то все молекулы ориентированы параллельно.

Линейные и нелинейные диэлектрики. Линейные - поляризованность пропорциональна напряженности электрического поля. Нелинейные (сегнетоэлектрики) нет прямой пропорциональности.

Виды поляризации: электронная, ионная, дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, самопроизвольная и др.

Электронная поляризация. У рода диэлектриков (H₂, N₂, O₂, CH₄) молекулы имеют симметричное строение, т.е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствии внешнего электрического поля совпадают и, следовательно, дипольный момент молекулы равен нулю. Молекулы таких диэлектриков называют неполярными. Под воздействием электрического поля заряды смещаются в противоположные стороны и молекула приобретает дипольный момент.

Электронная поляризация происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках. Поляризация усиливается за очень короткое время после наложения электрического поля - порядка с, что сравнимо с периодом световых колебаний, т.е. она проявляется во всех частотах, не связана с потерей энергии и не зависит от температуры. При увеличении размеров атома поляризуемость увеличивается, так как при этом не только становится слабее связь электронов внешних оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки, но и возрастает заряд ядра.

Ионная поляризация. Она возникает вследствие упругого смещения связанных ионов из положения равновесия на расстояние, меньшее постоянной кристаллической решетки.

Центры положительных и отрицательных зарядов ионов ячейки, совпадающие до приложения электрического поля, под действием поля раздвигаются на некоторое расстояние вследствие чего элементарная ячейка приобретает индуцированный электрический момент. Длительность поляризации больше электронной и составляет с. Ионная проявляется в веществах многовалентных полярных, где ионы слабо связаны друг с другом (NaCl, КСl, КВr).

Дипольно-релаксационная поляризация. Заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении электрического поля.

а)                                                     б)

а) - при отсутствии электрического поля;

б) - при воздействии электрического поля

Рисунок 2.1 - Схематическое изображение дипольной поляризации

Из рисунка видно, что при воздействии электрического поля дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентируются в направлении внешнего электрического поля, создавая эффект поляризации диэлектрика. При снятии поля поляризация нарушается беспорядочным тепловым движением молекул, а поляризованность Р спадает по экспоненциальному закону какое-то время называемое временем релаксации. Это промежуток времени, в течение которого поляризованность уменьшается в 2,7 раза от первоначальной. Обычно время составляет с, т.е. она возможна на низких частотах до Гц, при этом возникают потери энергии и процесс зависит от Т°. Данная поляризация свойственна полярным диэлектрикам.

Ионная-релаксационная поляризация. Обусловлена смещением слабо связанных ионов под действием внешнего электрического поля на расстояние, превышающее постоянную кристаллической решетки. Она наблюдается в неорганических кристаллических диэлектриках ионной структуры с неполной упаковкой ионов, процесс происходит с потерей энергии и усиливается с повышением Т°.

Миграционная поляризация. Она наблюдается в некоторых диэлектриках (неоднородных) особенно с полупроводниковыми включениями. Это вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накоплении зарядов на границах раздела.

Эти процессы медленные и могут продолжаться секунды и даже часы, и поэтому поляризация возможна на низких частотах.

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация. Такая поляризация свойственна сегнетоэлектрикам.

Классификация диэлектриков по виду поляризации:

Неполярные - не содержащие электрических диполей, способных к неориентации во внешнем электрическом поле. Им свойственна электрическая поляризация. К ним относятся: полистирол, полиэтилен, фторопласт-4, бензол, воздух и т.п.

Полярные - содержат электрические диполи, которые способны к переориентации. Наблюдается как электронная, так и дипольно-релаксационная поляризации. Они обладают пониженными электрическими свойствами и применяются в качестве электроизоляционных материалов в области низких частот. К ним относятся: органическое стекло, фторопласт -3, лавсан и др.

Диэлектрики с ионной структурой. К ним относятся твердые неорганические диэлектрики с выше перечисленными поляризациями и делятся по потерям на 2 группы:

1)      кварц, слюда, корунд, рутил и др., с электронной и ионной видами поляризаций;

2)      стекло, керамика, микалекс и др., с электронной, ионной и релаксационной поляризацией;

) сегнетоэлектрики - диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией - титанит бария, стронция, сегнетовая соль.

2.2 Электропроводность диэлектриков, диэлектрические потери, диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность, виды пробоя в диэлектриках

За счет поляризации диэлектрика происходит уменьшение в нем поля по сравнению с первоначальным значением внешнего поля, так как часть линий напряженности пройдет сквозь диэлектрик, а другая - оборвется на связанных зарядах диэлектрика.

Поэтому напряженность внутри диэлектрика равная

,

где  - это диэлектрическая проницаемость среды (диэлектрика) и показывает, во сколько раз диэлектрик ослабляет действие внешнего электрического поля и характеризует поляризованность диэлектрика. Значение  может принимать различные значения от нескольких единиц до десятков тысяч.

Значение  зависит от температуры частоты и виды поляризации, частоты, давлении, влажности.

Электропроводность. В твердых диэлектриках представляет собой сумму токов:

 

,

где - ток смещения, обусловлен электронной и ионной поляризации, он проходит в очень малые промежутки времени (с);

- ток абсорбции, обусловлен перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика. Часть носителей встречает на своем пути ловушки захвата - дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все ловушки заполняются, ток абсорбции прекращается;

- сквозной ток, обусловленный объемным сопротивлением диэлектрика и поверхностным, так как в любом диэлектрике имеется небольшое количество свободных электронов, за счет примеси.

Диэлектрические потери. Понимают электрическую мощность поглощаемую диэлектриком при воздействии на него электрического поля. Она рассеивается в диэлектрике, превращаясь в тепло. Они в основном обусловлены сквозным током. При высоких напряжениях и частоты потери могут возникать за счет ионизации газов внутри диэлектрика.

Потери возникают как на постоянном так и на переменном.

Для расчета потерь используют соотношение

,

где  - угол диэлектрических потерь, который определяет соотношение между резистивной и реактивной составляющими тока. Чем меньше , тем лучше диэлектрик. ≈ 0,0001 - 0,01.

Пробой диэлектриков. Явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называется пробоем. Различают два вида пробоя: полный и неполный.

Полный - если проводящий канал проходит от одного электрода к другому и замыкает их.

Частичный (неполный), если пробивается лишь газовое или жидкое включение твердого диэлектрика.

Поверхностный пробой - который возможен в твердых диэлектриках.

Пробивное напряжение диэлектрика зависит от толщины диэлектрика.

,

h - толщина диэлектрика.

Значение  зависит от формы электродов, времени прохождения под напряжением, вида напряжения, частоты, температуры, влажности.

Физические процессы пробоя в разных случаях различны. Различают несколько механизмов пробоя: электрический, тепловой, электрохимический, ионизационный, электромеханический.

Электрический пробой - обусловлен ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля. Электрический пробой обусловлен внутренним строением диэлектрика (плотностью упаковки атомов, прочностью и связей) и слабо зависит от внешних факторов (температуры, формы образца его размеров, частоты напряжения). Длится процесс микросекунды и менее, а  в пределах 100 - 1000 МВ/м.

Тепловой пробой. Обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь. Мощность, выделяющаяся в образце равна:

 

Р_n = U²ωC

Тепловая мощность, отводимая от образца, пропорциональна площади теплоотвода S и разности температур Т и окружающей среды То.

Р_р = кS(T-T°),

где к - коэффициент теплоотдачи.

Условие теплового равновесия является Р_n = Р_р, но так как  обычно растет с повышением температуры, то, начиная с некоторой критической Ткр, значение Р_n > Р_р В результате превышения тепловыделения над теплоотдачей диэлектрик лавинообразно разогревается, что приводит к разрушению.

Напряжение теплового пробоя отличается от напряжения электрического пробоя и зависит от частоты.

где А - постоянная.

С повышением f U_пр уменьшается, аналогично и от изменения температуры, за счет роста .

По указанным причинам изменяется механизм пробоя: при низких f или Т, когда U_{пр.тепл} велико, происходит электрический пробой, а при высоких f или Т, U_{пр.тепл}. Снижается до значений, меньших значений U_{пр.электр}, пробой становится тепловым. Отмечается fкр и Ткр происходит этот переход от электрического к тепловому и зависят от диэлектрика, условий теплоотвода, времени приложения U, скважности импульсов.

Электрохимический пробой. Обусловлен химическими процессами, приводящими к изменениям в диэлектрике под действием электрического поля, так как приводит к «старению», и определяется временем жизни изоляции.

Ионизационный пробой. Он обусловлен ионизационными процессами вследствие частичных разрядов в диэлектрике. Особенно это характерно для диэлектриков с воздушными включениями (бумага).

При больших Е и воздушных порах возникает ионизация воздуха, образуется озон, ускоряются ионы, что приводит к выделению тепла, что снижает Е_пр. При этом возможен и поверхностный пробой. Чтобы его не допустить необходимо: удлинять возможный путь разряда по поверхности. Для этого поверхность изоляторов делают гофрированной, в конденсаторах оставляют неметаллизированные закраины диэлектрика, поверхности покрывают лаками, компаундами, жидкими диэлектриками с высокой Е_пр.

Пробой неоднородных микроскопических диэлектриков. Большинство диэлектриков состоят из нескольких слоев обладающих разными электрическими свойствами и имеют больше или меньше количество пор. Например: намоточные изделия, керамические диэлектрика (керамика и стекло).

Если приложить к такому диэлектрику U, то напряженность в отдельных слоях будет отличаться от среднего значения Е_ср = U (h₁ + h₂). Поэтому, если произойдет пробой одного слоя, то это вызовет пробой всего образца.

Чем меньше размер пор в диэлектрике, тем более высокое U нужно приложить к образцу, чтобы вызвать разряды в порах. Для этого пористые диэлектрики заполняют жидким или твердеющим электроизоляционным материалом. У кабельной бумаги Е_пр = 3-5 МВ/м, для пропитанной компаундом Е_пр = 40 - 80 МВ/м.

2.3 Сегнетодиэлектрики

Сегнетодиэлектриком называют диэлектрик, обладающий спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено внешними воздействиями, например, электрическим полем.

Особенности сегнетодиэлектриков:

Обладают доменной структурой. Домен - это макроскопическая область, имеющая пространственно - однородное упорядочение дипольных моментов элементарных кристаллических ячеек. В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты в доменах ориентированы равновероятно по всем направлениям, что вызывает их взаимную компенсацию.

При воздействии электрического поля дипольные моменты доменов ориентируются преимущественно в направлении поля, что вызывает эффект очень сильной поляризации, а следовательно, высокое и сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости.

Сильная зависимость Е от температуры (с максимумом при Т°, называемой сегнетоэлектрической точкой Кюри) и сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости.

Поляризация связана с достаточно большими затратами энергии. В переменном поле имеет место гистерезис.

Сильная зависимость Е и диэлектрических потерь от частоты, особенно на СВЧ.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация возникает под влиянием внутренних процессов, без внешних воздействий. Зависимость поляризованности от Е нелинейная и при циклическом изменении Е вид кривой является петля гистерезиса. По значению коэрцитивной силы подразделяются на сегнетомягкие и сегнетотвердые.

Важный параметр - сегнетоэлектрическая точка Кюри - температура, при которой возникает (при охлаждении) или возникает (при нагреве) спонтанная поляризация. При достижении точки Кюри происходит фазовый переход из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое, когда Р_s = 0. При этом изменяется симметрия кристалла, параметры элементарной ячейки, а диэлектрические, упругие, пьезоэлектрические, электрооптические характеристики имеют резкие максимумы.

В сегнетодиэлектриках с фазовым переходом первого рода спонтанная поляризация в точке Кюри изменяется скачком, что характеризуется наличием температурного гистерезиса и выделение скрытой теплоты. В сегнетоэлектриках с размытым переходом, в которых нет определенной точки перехода, наблюдается широкая область температур, где Р_s постоянно уменьшается. В этой области существуют обе фазы - сегнето- и параэлектрическая.

По виду поляризации подразделяются на ионные и дипольные. Ионные - представляют собой кристаллы со значительной степенью ионной связи. Наблюдается спонтанная поляризация.

Дипольные - в них существуют постоянные электрические диполи или дипольные группы.

Параметры сегнетодиэлектриков меняются в широких пределах от -273°С до +1200°С, а Е изменяется от единиц до десятков тысяч.

Применение:

- Конденсаторная сегнетокерамика - для изготовления конденсаторов (низкочастотных) большой емкости (титанат бария ВаТiО₃).

- Нелинейная сегнетокерамика - специальный конденсатор - вариконд, емкость которого зависит от напряжения. Используются: в вычислительной технике (запоминающее устройство), бесконтактных переключателях, преобразователях частоты, усилителях, стабилизаторах.

-        Терморезистивная - (относится к полупроводникам) отличается позисторным эффектом, в резком возрастании проводимости при повышении температуры. Этот эффект наблюдается в определенном интервале температур. Изготовляют терморезисторы позисторы (стабилизаторах тока, термостатах, регулировки температур и измерения и т.д.).

2.4 Пьезоэлектрики

Это твердые, сенизотропные кристаллические вещества, поляризующиеся под действием механических напряжений. В них возникают прямой и обратный пьезоэффекты.

Прямой пьезоэлектрический эффект - образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и электрической поляризации внутри его, происходящие в результате воздействия механических напряжений.

Поляризация

P=dσ [Кл/м²],

где d - коэффициент пропорциональности, называемый пьезоэлектрическим модулем или пьезомодулем.[Кл/Н];

σ - механическое напряжение [Н/м²].

Рисунок 2.2 - Прямой пьезоэффект

Под воздействием механического напряжения работа внешней силы затрачивается на деформацию материала и его поляризацию (эффект был открыт в 1880 г.), на поверхности кристалла появляются электрические заряды, такие материалы называют пьезоэлектрическими.

Применение: преемники ультразвука, датчики деформации, звукосниматели.

Обратный пьезоэффект. Под воздействием внешнего источника с напряжением U затрачивается энергия на заряд ёмкости пьезоэлемента (CU²/2) и на его деформацию. При этом амплитуда механических колебаний будет меняться с частотой переменного электрического тока; при совпадении частоты поля с собственной частотой пьезоэлектрика амплитуда приобретает максимальные значения.

Используется для преобразования электрических сигналов в механические (акустические излучатели, генераторы ультразвука).

Пироэлектрики. Пироэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика при однородном по его объёму нагреве или охлаждении.

Рисунок 2.3 - Пироэлектрический эффект

При изменении температуры пироэлектрик поляризуется, т.е. на противоположных сторонах его возникают разноимённые заряды. Это возможно в веществах, обладающих спонтанной или остаточной поляризацией, когда имеющаяся поляризованность зависит от Т⁰. Благодаря электропроводности связанные поляризационные заряды обычно скомпенсированы свободными зарядами противоположного знака, они обведены кружками, и наличие поляризации не проявляется. При нагреве или охлаждении значение Р изменяется (исчезновение Р изображено исчезновением нескольких диполей) и часто свободных зарядов освобождается. Эти освободившиеся свободные заряды и обнаруживаются внешним индикатором как пироэлектрическая поляризация, являющаяся функцией температуры.

Пироэлектрики обладают и обратным электроколорическим эффектом, т.е., их температура изменяется при поляризации. Применяются в детекторах оптических сигналов и в тепловых датчиках, а также делают решётки для приёма изображения.

Материалы - турмалин, сульфат лития, виннокислый калий.

Пироэффектом обладают и сегнетоэлектрики: LiNbO₃ и LiTaO₃.

2.5 Активные диэлектрики

Называются диэлектрики, предназначенные для генерации, усиления, модуляции и преобразования электрических сигналов.

В обычных пассивных диэлектриках применяют электроизоляционные материалы, и используется явление поляризация, индуцируемая внешним полем.

В активных диэлектриках используется широкий круг свойств и взаимодействие (см. рисунок 2.4). Прямые взаимодействия между «внешними» свойствами диэлектрика (механическое напряжение τ, напряженности Е и Н, температуры) и его «внутренними» свойствами (поляризации Р, плотности тока, намагниченность, деформация, энтропия).

Важную роль играют связи между различными группами свойств - это пьезоэлектрические, пироэлектрические, сегнетомагнитные, магнитострикционные и др.

В активных часто используют нелинейность связей между поляризацией и Е, или другими величинами. Иногда важнейшими свойствами оказываются спонтанная поляризация, возникающая, при Е = 0 (сегнетоэлектрики), спонтанная деформация (сегнетоэластики), спонтанная намагниченность (ферромагнетики).

Широко используются в технике различные перекрестные взаимодействия, показанные на рисунке 2.4 пунктирными линиями. Так, управление величиной ε с помощью температуры, давления или магнитного поля может служить основой для создания датчиков соответствующих параметров.

Рисунок 2.4 - Виды взаимодействий в активных диэлектриках

Воздействие электрического поля на упругие константы применяют в электрически управляемых фильтрах и линиях задержки, в параметрических усилителях акустических сигналов. Если в обычных диэлектриках наличие активной составляющей тока нежелательно, то в некоторых активных диэлектриках используется именно переход («переключение») из непроводящего состояния в проводящее и обратно (позисторы, варисторы, полупроводниковые стекла). В сегнетоэлектриках-полупроводниках удельное сопротивление ρ зависит от поляризованности Р, а в пьезополупроводниках - от деформации х, что может служить основой для создания новых приборов радиоэлектроники (запоминающие устройства, акустические усилители).

Рассмотрение активных диэлектриков начнем с сегнетоэлектриков, у которых указанные на рисунке 2.4 взаимодействия выражены наиболее сильно.

Вывод. При отсутствии внешнего поля сегентодиэлектрики представляет собой как бы мозаику из доменов - областей с различными направлениями поляризованности.

Рисунок 2.5 - Титанат бария, где знаки ,  и стрелки указывают направление вектора Р

Так как в смежных доменах направления различны, то в целом дипольный момент равен нулю. При внешнем электрическом поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по полю, а возникающее при этом суммарное электрическое поле доменов будет поддерживать их некоторую ориентацию и после прекращения действия внешнего электрического поля.

Электрические свойства сильно зависят от t⁰. Для каждого сегмента определенная температура выше которой его необычные свойства исчезают. Это температура называется точкой Кюри. Как правило, они имеют одну точку, исключение составляют: сегнетовая соль и аморфные с нею соединения. Превращение в обычный диэлектрик происходит в точке Кюри, сопровождающий фазовым переходом второго рода (скачкообразным изменением теплоемкости).

В сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса (запаздывания). С увеличением Е растет Р, достигая насыщения. С уменьшением Е уменьшает Р, но по другой кривой, и при Е=0 сохраняется остаточная поляризованность Р₀, т.е. он остается поляризованным при Е=0.

Широко применяют в:

) электретах - сохраняющие достаточно длительное время поляризованность после Е = 0 (это аналог постоянного магнита);

) варикапах;

) позисторах;

) в запоминающих устройствах;

) генераторах и приемников СВЧ.

2.6 Электропроводность газообразных диэлектриков

К ним относятся: воздух, азот, кислород, водород, элегаз (SFu), метан, аргон, неон, и др.

Достоинства изоляции:

высокое удельное сопротивление;

близкую к единице (малую) диэлектрическую проницаемость;

малый тангенс угла потерь.

Недостаток - низкая электрическая прочность, которая зависит от: давления, температуры, формы электродов, расстояния между ними, материала электродов, приложенного U,плотности газа, рода газа.

Газ при обычных условиях состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных электронов и ионов.

Газ становится проводником электричества, когда некоторая часть его молекул ионизируется, т.е. произойдет расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и электроны. Под воздействием какого-либо ионизатора происходит вырывание из атома или молекулы одного или нескольких электронов, что приводит к образованию свободных электронов и положительных ионов.

Электроны могут присоединяться к нейтральным молекулам и атомам, превращая их в отрицательные ионы.

Следовательно, в ионизированном газе имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны.

Ионизирующие факторы: сильный нагрев, короткие электромагнитные излучения (ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение), корпускулярное излучение (потоки электронов, протонов, альфа-частиц).

Для того, чтобы выбить электрон, необходимо затратить энергию, равную энергии ионизации = 4-25эВ.

Одновременно с процессом ионизации газа идет обратный процесс - рекомбинации.

Рисунок 2.6 - Зависимость тока от напряжения

На участке ОА ток возрастает пропорционально напряжению. На участке АВ рост тока замедляется и затем прекращается (участок ВС).

Это происходит в том случае, когда ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором за единицу времени, за это же время достигают электродов. Получается ток насыщения. Если прекратится действие ионизатора, то ток исчезнет.

На участке CD ток начинает увеличиваться с увеличением U, а затем резко возрастает из-за ударной ионизации.

При больших U_пробоя сильно ускоренные электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их, образуются вторичные электроны и положительные ионы которые движутся: ионы к катоду, а электроны - к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа, и, следовательно, общее количество носителей возрастает лавинообразно - это ударная ионизация.

Но этого не достаточно для поддержания разряда при удалении внешнего (DE) фактора. Необходимо для поддержания лавины «воспроизводить» электроны. Для этого необходимо:

чтобы ускоренные положительные ионы ударяясь о катод, выбивали бы из него электроны;

положительные ионы, сталкиваясь с молекулами газа, переводили бы их в возбужденное состояние, а переход сопровождался испусканием фотона;

фотон, поглощается нейтральной молекулой, ионизирует ее, т.е. происходит процесс фотонной ионизации молекул;

электроны, ударяясь о анод, должны выбивать электроны;

при повышении U наступает момент, когда положительные ионы приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа и к катоду устремляются ионные лавины. Происходит увеличение тока почти без увеличения U, наступает самостоятельный разряд, а напряжение в этот момент называется напряжением пробоя.

4 вида самостоятельного разряда:

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Применяется: в газосветных лампах, лампах дневного света, для катодного напыления металлов. Катод, сильно нагреваясь, за счет попадания положительных ионов, переходит в парообразное состояние. Помещая вблизи катода различные предметы, их покрывают равномерным слоем металла.

Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля ~ 3*10⁶ В/м в газе и давлении ~ атмосферному.

Используется: в двигателях внутреннего сгорания для воспламенения горючей смеси, искровых разрядников, для электроискровой точной обработки металлов (резанья, сверления), в спектральном анализе для регистрации заряженных частиц.

Дуговой разряд. Применяется: для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей, освещения, в выпрямителях.

Коронный разряд возникает вблизи острия при Е=30кВ/см, появляется свечение, имеющее вид короны.

Различают отрицательную и положительную короны, создают радиопомехи.

Применяют: в электрофильтрах для очистки промышленных газов от примесей, для нанесения порошковых и лакокрасочных покрытий.

Закон Пашека. Пробивное напряжение воздуха и других газов в электрическом поле является функцией произведения давления газа на расстояние между электродами:

Uпр=f (ph)

1 - воздух; 2 - азот; 3 - неон; 4 - элегаз

Рисунок 2.7 - Кривые Пашика для газов

С увеличением давления электрическая прочность газов увеличивается. При больших давлениях длина свободного пробега электронов мала, так как повышается концентрация молекул газа. Вследствие этого кинетическая энергия электронов недостаточна для ионизации молекул.

Возрастание электронной прочности ниже атмосферного, объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема и энергии электрона не хватает для ионизации.

Плазма и ее свойства. Плазмой называется сильно ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически одинакова.

Плазму различают:

высокотемпературную - возникает при высоких температурах;

газоразрядную - возникающую в газе.

Свойства плазмы:

высокой степенью ионизацией;

большой электропроводностью и в основном ток создается электронами (наиболее подвижными частицами);

свечением;

сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями;

колебаниями электронов в плазме с частотой ~ 10⁸Гц, вызывающими общее вибрационное состояние плазмы.

Эти свойства позволяют считать плазму как четвертое состояние вещества.

Применение. Низкотемпературная (<10⁵К) применяется в газовых лазерах, термоэлектронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (тепло в эл. энергии), в плазменных ракетных двигателях, для резки и сварки металла.

2.7 Электролюминесценция, катодолюминесценция

Электролюминесценция - это излучения света под действием электрического поля или протекающего тока. При воздействии электрического поля на полупроводник (называемый люминофором) возникает ударная ионизация атомов электронами, за счет электрического поля, а также эмиссия электронов из центра захвата. Вследствие этого концентрация свободных носителей превысит равновесную и полупроводник окажется в возбужденном состоянии, т.е. в состоянии при котором его внутренняя энергия превышает равновесную при данной температуре.

Устройство электролюминесцентного излучателя (конденсатора): на металлическое основание напыляется тонкий слой (до 20 мкм) полупроводника (сульфида цинка), поверх него наносится тончайший, прозрачный для видимого света, слой металла. При подключении к металлическим слоям источника (постоянного или переменного) возникает зеленовато-голубое свечение, яркость которого пропорциональна значению U источника. Если в состав люминофора входит селенид цинка, то можно получить белое, желтое или оранжевое свечение.

Недостатки:

-   низкое быстродействие;

-        нестабильный параметр;

         невысокая яркость свечения;

         малый ресурс.

Электролюминесценция наблюдается и в полупроводниковых диодах, при протекании через диод тока, при прямом включении. При этом электроны переходят из n-области в p-область и там рекомбинируют с дырками. В зависимости от ширины запрещенной зоны фотоны имеют частоты в видимой или невидимой человеком части светового спектра, сделанных из кремния, излучают невидимый инфракрасный свет.

Для светодиодов используется материалы с шириной запрещенной зоны от 1,6 эВ до 3,1 эВ (это красный и фиолетовый цвет), а поэтому широко используется для создания цифровых индикаторов, оптронов, лазеров.

Преимущество:

-   технологичность;

-        высокое быстродействие;

         большой срок службы;

         надежность;

         микро миниатюрность;

         высокая монохроматичность излучения.

По конструкции светодиоды различают: инжекционные, полупроводниковые лазеры, суперлюминесцентные (занимающие промежуточные значения и применяют в ВОЛС), с управляемым цветом свечения.

ЗСИ - знакосинтезирующие индикаторы, - в которых изображение получают с помощью мозаики на независимо управляемых преобразователях «электрический сигнал-свет».

В ЗСИ используется свечение, возникающее в люминофорах помещенных в сильное электрическое поле. Конструктивно они представляют собой группу конденсаторов, у которых одна из обкладок выполнена прозрачной, а другая не прозрачной.

При подключении источника к обкладкам люминофор начинает светиться.

Если прозрачный электрод сделать той или иной формы, то зона свечения повторит форму. Цвет сечения зависит от состава люминофора. Используются в дисплеях.

Яркость свечения зависит от значения U и частоты: U=160-250В, f=300-4000Гц.

Потребляемая мощность сотые-десятые доли ватт, яркость 20-65кд/м².

Катодолюминесценция. При удалении из колбы газа (при давлении ≈ 1,3 Па) свечение газа ослабевают и начинают светиться стенки колбы. Почему? Электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, при таком разряжении редко сталкиваются с молекулами газа и поэтому, ускоренные полем, ударяясь о стекло, вызывает его свечение, так называемую катодолюминесценцию, а поток электронов, получил название катодных лучей.

Низковольтная вакуумная люминесценция. По механизму действия не отличается то высоковольтной и носит рекомендательный характер.

Сущность - люминофор бомбардируется электронами, которые возбуждают люминофор и приводят к нарушению термодинамического равновесия. Появляются электроны, энергия которых больше энергии для зоны проводимости, и дырки, имеющие энергию, меньшую потолка валентной зоны. В связи с неустойчивостью неравновесного состояния начинается процесс рекомбинации с излучением фотонов катодами, что сопровождается излучением.

Если рекомбинация будет осуществляться через ловушку, то через некоторое время носители могут вернуться на свои места, что увеличивает послесвечение.

Низковольтная люминесценция характеризуется:

-   типом люминофора;

-        глубиной проникновения в кристалле бомбардирующих электронов;

         используется низковольтное напряжение (единицы-десятки вольт);

         используются в вакуумных ЗСИ;

         напряжение накала = 5В;

-        U_а = (20-70)В;

         Ток анода сегмент (1-3)мА.

Преимущества вакуумных ЗСИ:

-   высокая яркость свечения;

-        многоцветность;

         минимум потребления энергии;

         большое быстродействие.

Недостатки: необходимо иметь три источника питания, хрупкость конструкции.

Контрольные вопросы к теме 2

Понятие поляризации.

Виды поляризации.

Чем определяется электропроводность диэлектрика?

Указать виды электрического пробоя.

Указать особенности сегнетоэлектриков.

Пьезоэффект и его применение.

Указать виды газового разряд и их особенности.

Особенности электролюминесценции и катодолюминесценции.

ТЕМА 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ПРОВОДНИКАХ

.1 Классификация проводников

Особенности проводимости металлов, тепловое и дрейфовое движение электропроводимости.

В электронной промышленности широко применяются металлы и их сплавы, из которых делают проводники.

Классифицируются по агрегатному состоянию: газообразные, жидкие, твёрдые.

Газообразные - пары веществ и газы при напряжённости электрического поля, которое обеспечивает ионизацию молекул. В них электрический ток создаётся как электронами, так и ионами. Используются в газоразрядных приборах.

Жидкие - растворы различных солей, кислот, щелочей, а также их расплавы (электролиты). Ток связан с переносом ионов, при этом состав электролита изменяется, а на электродах, погружённых в электролит, происходит выделение вещества из раствора.

Твёрдые - это металлы, которые занимают в таблице Менделеева более 75%. Ток в них создаётся только электронами, а поэтому нет переноса вещества от одного электрода к другому.

По применению металлические материалы подразделяются:

- металлы высокой проводимости;

-       сплавы высокого сопротивления.

Металлы высокой проводимости: серебро, медь, алюминий, железо, золото.

Сверхпроводники (при низких t⁰ C): алюминий, ртуть, свинец, ниобий, соединения с оловом, титаном, цирконием.

Сплавы высокого сопротивления:

медно-марганцовые (манганин);

медно-никелевые (константаны);

железа, никеля и хрома (нихромы).

Электронная проводимость металлов

Элементы первой группы таблицы Менделеева одновалентны. Валентный электрон слабо связан со своим ядром и при любых внешних воздействиях разрывает связь с ядром и становится свободным. Поэтому в узлах кристаллической решётки находятся положительно заряженные атомы (ионы), а между ними перемещаются свободные электроны.

Ионы и электроны находятся в беспорядочном движении. Энергия этого движения представляет внутреннюю энергию тока.

Движение ионов, образующих решётку, состоит лишь в колебаниях около своих положений равновесия. Свободные электроны могут перемещаться по всему объёму металла. При отсутствии внутри металла электрического поля, движение электронов хаотично, в каждый момент скорости различных электронов различны и имеют всевозможные направления. Электроны подобны газу, поэтому их часто называют электронным газом.

Тепловое движение не вызывает никакого тока, так как вследствие полной хаотичности в каждом направлении будет двигаться столько же электронов, сколько в противоположном, и поэтому суммарный заряд, переносимый через любую площадку внутри, будет равен нулю.

Если на концах проводника создать разность потенциалов, т.е. создать внутри электрическое поле, то на каждый электрон будет действовать сила, каждый электрон получит дополнительные скорости, направленные в одну сторону. Движение станет направленным, т.е. будет электрический ток.

Вывод:

Хаотическое движение обусловлено воздействием внешних факторов (тепла). Направленное движение за счёт разности потенциалов называется дрейфовым.

Проводимость разных металлов различная, так как обусловлена:

- различным количеством свободных электронов в единице объёма;

-       условиями движения электронов, связанных с различной длинной свободного пробега, т.е. пути, проходимого в среднем электроном между двумя соударениями с ионами.

На практике используют понятия: удельная проводимость и удельное сопротивление:

s - удельная проводимость, МСu/м

r - удельное сопротивление, Ом*мм² / м

r= 1/s = 1/еnm = 2mu_т/е²n l_ср,

где е - заряд электрона = 1,6 * 10^-19;

n - количество свободных электронов;

m - подвижность электрона, обусловленная электрическим полем;

m - масса электрона = 9,1 * 10^-31 кг;

_lср- средняя длина свободного пробега;

u_т - средняя скорость теплового движения.

Значения u_т, n, в различных проводниках примерно одинаковы, например:

n_меди= 8,5*10²⁸м^-3, n_алюм= 8,3*10²⁸м^-3, значение скорости теплового движения приблизительно u_т = 10⁵ м/с.

Для каждого металла существует определённый температурный коэффициент сопротивления при изменении Т⁰ на 1⁰ С, отнесённый к 10м начального сопротивления (a):

a = R₂-R₁/ R₁(T₂-T₁) [1/⁰C],

где R₁ - сопротивление при T₁

R₂ - сопротивление при T₂

Отсюда

R₂ = R₁ [1+a (T₂-T₁)]

Это соотношение справедливо для температур 100-150⁰С.

3.2 Полукристаллические и аморфные металлы и сплавы

Поликристаллы состоят из мелких монокристаллов: медь, серебро, алюминий, натрий.

1 Медь

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1)  малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет ρ несколько меньшее, чем медь);

2)  достаточно высокая механическая прочность;

3)  удовлетворительная коррозионная стойкость; медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах (рисунок 3.3);

4)  хорошая обрабатываемость; медь прокатывается в листы и ленты и протягивается в проволоку;

5)  относительная легкость пайки и сварки.

Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. Медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно подвергается электролитической очистке, Полученные в результате электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80-90 кг, которые прокатывают и протягивают, создавая изделия требующегося поперечного сечения.

При изготовлении проволоки болванки сначала подвергают горячей прокатке в катанку диаметром 6,5-7,2 мм, которую затем протягивают без подогрева, получая проволоку нужных диаметров.

В качестве проводникового материала используют медь марок M_l и М_О. Медь марки M_l содержит 99,9% Сu, а в общем количестве примесей (0,1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Наличие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М_О, в которой содержится не более 0,05% примесей, в том числе не свыше 0,02% кислорода. Из меди марки АЛО может быть изготовлена особо тонкая проволока (до диаметра 0,01 мм).

а - удельное сопротивление, мкОм*м; б - предел прочности при растяжении; в - относительное удлинение при разрыве

Рисунок 3.1 - Зависимости параметров меди от температуры отжига (при продолжительности отжига 1ч)

При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря наклепу имеет высокий предел прочности при растяжении, если удлинение мало, а также твердость и упругость; при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит.

Если же медь подвергнуть отжигу, т. е. нагреву до нескольких сотен градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет пониженную твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение при разрыве и (в соответствии с рассмотренными общими закономерностями) более высокую удельную проводимость.

Влияние отжига на свойства меди показано на рисунке 3.1. Изменение механических свойств - σ _р и Δl/l при отжиге выражено сильнее, чем изменение ρ.

Электропроводность меди весьма чувствительна к наличию примесей (рисунок 3.2).

Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию: для контактных проводов, для шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин и пр.

Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в виде токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность (отсутствие «пружинения» при изгибе), а прочность не имеет существенного значения.

Медь - сравнительно дорогой и дефицитный материал. Поэтому она должна расходоваться весьма экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо собирать; и важно не смешивать их с другими металлами, а также с менее чистой (не электротехнической) медью, чтобы можно было их переплавить и вновь использовать в этом качестве. Медь как проводниковый материал в ряде случаев заменяют другими металлами, чаще всего алюминием.

В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяют ее сплавы с небольшим содержанием легирующих примесей: Sn, Si, P, Be, Cr, Mg, Ca и др. Такие сплавы, называемые бронзами, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь.

Рисунок 3.2 - Влияние различных примесей на удельную проводимость γ меди

σ_р бронз может доходить до 800 - 1200 МПа и более. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружин и т. п.

Введение в медь кадмия при сравнительно малом снижении удельной проводимости у дает существенное повышение механической прочности и твердости. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза (σ_р до 1350 МПа).

Латунь (сплав меди с цинком) обладает достаточно высоким относительным удлинением при повышенном пределе прочности на растяжение по сравнению с чистой медью. Это дает латуни технологические преимущества при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т.п.

Латунь применяют в электротехнике для изготовления различных токопроводящих деталей.

2 Алюминий

Алюминий - важнейший представитель так называемых легких металлов, т. е. металлов с плотностью менее 5000 кг/м³: плотность литого алюминия около 2600, прокатанного - 2700 кг/м³. Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди.

Удельное сопротивление ρ алюминия примерно в 1,63 раза больше ρ меди. Поэтому замена меди алюминием не всегда возможна, особенно в радиоэлектронике. Однако если сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной и той же длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в 2 раза, Поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости на единицу длины алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более чем в два раза. Важно и то, что алюминий менее дефицитен, чем медь.

Для электротехнических целей используют алюминий марки А1, содержащий не более 0,5% примесей. Еще более чистый алюминий марки AB00 (не более 0,03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты AB0000 содержит не более 0,004% примесей.

Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответствующим операциям для меди. Из алюминия может прокатываться тонкая (до 6 - 7 мкм) фольга, применяемая в качестве обкладок в бумажных и пленочных конденсаторах.

Алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и сильно затрудняет пайку алюминия обычными способами. Для пайки алюминия применяют специальные пасты - припои пли используют ультразвуковые паяльники.

3 Железо

Сталь (железо) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий высокой механической прочностью, в ряде случаев используют в качестве проводникового материала. Даже чистое железо имеет более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное сопротивление ρ (порядка 0,1 мкОм*м); значение ρ стали, т. е. железа с примесью углерода и других элементов, еще выше.

При переменном токе в стали, как магнитном материале, сильно сказывается поверхностный эффект, поэтому активное сопротивление стальных проводников для переменного тока выше, чем для постоянного. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис.

Обычная сталь обладает малой коррозионной стойкостью: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала, например цинка.

Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного сопротивления ТК ρ. Поэтому тонкую железную проволоку, помещенную для защиты от окисления в баллон, заполненный водородом, можно применять в барретерах, т. е. в приборах, в которых используется зависимость сопротивления от силы тока, нагревающего помещенную в них проволоку. Этот прибор сохраняет постоянную силу тока при колебаниях напряжения.

4 Натрий

Интересным и перспективным проводниковым материалом является металлический натрий. Натрий может быть получен путем электролиза расплавленного хлористого натрия NaCl в практически неограниченных количествах. Удельное сопротивление натрия в 2,8 раза больше ρ меди и в 1,7 раз больше ρ алюминия. Но благодаря очень малой плотности натрия (он легче воды; плотность его примерно в 9 раз меньше плотности меди) провод из натрия при данной проводимости на единицу длины (при нормальной температуре) должен быть значительно легче, чем провод из любого другого металла.

Однако натрий весьма активен химически - он интенсивно окисляется на воздухе и бурно реагирует с водой, кроме того, натрий весьма мягок и имеет малый предел прочности при растяжении и других деформациях. Поэтому натриевый провод должен быть защищен герметизирующей оболочкой, которая должна также придавать проводу необходимую механическую прочность. Натриевые провода и кабели изготовляют в пластмассовых (полиэтиленовых) оболочках, что помимо герметизации и повышения механической прочности провода или кабеля создает его электрическую изоляцию.

5 Вольфрам

Это чрезвычайно тяжелый твердый металл серого цвета. Среди металлов он обладает наиболее высокой температурой плавления. Получают из руд различного состава; промежуточным продуктом является вольфрамовая кислота H₂WO₄, из которой путем восстановления водородом при нагреве до 900°С, получают металлический вольфрам в виде мелкого порошка. Из этого порошка прессуют стержни, которые подвергают сложной термической обработке в атмосфере водорода, ковке и волочению в проволоку (диаметром до 0,01 мм), прокатке в листы и т. п.

Для вольфрама характерна слабая связь между отдельными кристаллами, поэтому сравнительно толстые вольфрамовые изделия хрупки. При механической обработке ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру.

Рисунок 3.3 - Зависимость скорости окисления металла (количество окисляющегося металла за час с квадратного метра поверхности металла, соприкасающейся с воздухом) от температуры

Этим объясняется гибкость тонких вольфрамовых нитей. При уменьшении толщины вольфрамовой проволоки возрастает и ее предел прочности при растяжении σ_р (примерно от 500-600 МПа для стержней диаметром 5 мм до 3000-4000 МПа для тонких нитей; удлинение при разрыве Δl/l таких нитей - около 4%).

Вольфрам является одним из важнейших металлических материалов электровакуумной техники. Применение вольфрама для изготовления нитей ламп накаливания было впервые предложено русским изобретателем А. Н. Лодыгиным в 1890 г.

Вследствие тугоплавкости и большой механической прочности при повышенных температурах вольфрам можно использовать при температуре выше 2000°С, но лишь в высоком вакууме или в атмосфере инертного газа (азот, аргон и т. п.), так как уже при нагреве до температуры в несколько сот градусов Цельсия в присутствии кислорода он сильно окисляется (рисунок 3.3).

Вольфрам применяют также для изготовления контактов.

К преимуществам вольфрамовых контактов можно отнести:

а) устойчивость в работе;

б) малый механический износ ввиду высокой твердости материала;

в) способность противостоять действию электрической дуги и отсутствие привариваемости вследствие большой тугоплавкости;

г) малую подверженность электрической эрозии (т. е. износу с образованием кратеров и наростов в результате местных перегревов и плавления металла).

Недостатками вольфрама как контактного материала являются: а) трудная обрабатываемость; б) образование в атмосферных условиях оксидных пленок; в) необходимость в больших давлениях для обеспечения малых значений электрического сопротивления контакта.

Для контактов с большими значениями разрываемой мощности используют металлокерамические материалы. Заготовку прессуют из порошка вольфрама под большим давлением, спекают в атмосфере водорода, получая достаточно прочную, но пористую основу, которую затем пропитывают расплавленным серебром или медью для увеличения проводимости.

6 Молибден

Молибден широко применяют в электровакуумной технике при менее высоких температурах, чем вольфрам. Но накаливаемые детали из молибдена также должны работать в вакууме, в инертном газе или в восстановительной атмосфере.

Механическая прочность молибдена в очень большой степени зависит от механической обработки материала, вида изделия, диаметра стержней или проволоки и последующей термообработки. Предел прочности при растяжении σ_р молибдена - от 350 до 2500 МПа, а относительное удлинение при разрыве Δl/l - от 2 до 55%. Плотность молибдена почти в два раза меньше, чем вольфрама.

В электровакуумной технике наиболее распространены марки молибдена МЧ (молибден чистый) и МК (молибден с кремнещелочной присадкой). Последний обладает повышенной механической прочностью при высоких температурах.

Молибден применяют также в качестве материала для электрических контактов.

7 Благородные металлы

Золото - металл желтого цвета, обладающий высокой пластичностью (относительное удлинение при разрыве 40°С). В электротехнике золото используют как контактный материал для коррозионно устойчивых покрытий, для электродов фотоэлементов, для вакуумного напыления пленочных микросхем и т. п.

Серебро - белый, блестящий металл, стойкий против окисления при нормальной температуре. Серебро имеет самое малое удельное сопротивление ρ (при нормальной температуре). Механические свойства серебряной проволоки: σ_р около 200 МПа, Δl/l порядка 50%. Такую проволоку используют для изготовления контактов, рассчитанных на небольшие токи.

Серебро применяют также для не посредственного нанесения на диэлектрики, в качестве обкладок в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. Для этой цели используют метод вжигания или испарения в вакууме.

Недостатком серебра является склонность к миграции по поверхности и внутрь диэлектрика, на который его наносят, в условиях высокой влажности, а также при высоких температурах. Химическая стойкость у серебра ниже, чем у других благородных металлов.

Платина - металл, практически не соединяющийся с кислородом и весьма стойкий к самым разнообразным химическим реагентам. Платина прекрасно поддается механической обработке, вытягивается в очень тонкие нити и ленты. Предел прочности при растяжении σ_р платины после отжига - порядка 150 МПа, а Δl/l составляет 30 - 35%.

Платину применяют, в частности, при изготовлении термопар, для измерения высоких температур - до 1600⁰C (в паре со сплавом платинородий), а также при изготовлении пасты, используемой для вжигания электродов на монолитные керамические конденсаторы.

Особо тонкие нити из платины (диаметром около 1 мкм) для подвесок подвижных систем в электрометрах и других чувствительных приборах получают многократным волочением биметаллической проволоки платина - серебро с последующим растворением наружного слоя серебра в азотной кислоте (на платину азотная кислота не действует). Вследствие малой твердости платина редко применяется для контактов в чистом виде, но служит основой для ряда контактных сплавов. Сплавы платины с иридием стойки к окислению и к износу, имеют высокую твердость и допускают большую частоту выключений, однако дороги и применяются только для особо ответственных деталей.

Палладий по многим свойствам близок к платине и в ряде случаев служит ее заменителем; его используют в электровакуумной технике для поглощения водорода. Палладий и его сплавы с серебром и медью применяют в качестве контактных материалов. Палладиевую пасту, как и платиновую, используют для нанесения электродов на керамические конденсаторы.

Палладий в отожженном состоянии имеет предел прочности при растяжении σ_р порядка 200.МПа при относительном удлинении при разрыве Δl/l до 40%.

8 Никель и кобальт

Никель - серебристо-белый металл, широко применяемый в электровакуумной технике; его достаточно легко получить в очень чистом виде (99,99% Ni); иногда в него вводят специальные легирующие присадки (кремний, марганец и др.).

Получаемый из руд никель подвергают электролитическому рафинированию. Очень чистый порошкообразный никель можно получить путем термического разложения пентакарбонила никеля Ni (CO)₅ при температуре порядка 220° С.

Никель выпускают различных марок (в зависимости от чистоты) в виде полос, пластин, лент, трубок, стержней и проволоки. К положительным свойствам никеля следует отнести достаточную механическую прочность после отжига (σ_р = 400-600 МПа при Δl/l - 35-50%).

Никель легко поддается даже в холодном состоянии механической обработке: ковке, прессовке, прокатке, штамповке, волочению и т.п. Из никеля могут быть изготовлены различные по размерам, сложные по конфигурации изделия с жестко выдержанными допусками. Стойкость никеля к окислению наглядно видна из рисунка 3.3.

Помимо применения в электровакуумной технике никель используют в качестве компонента ряда магнитных и проводниковых сплавов, а также для защитных и декоративных покрытий и т. п.

Кобальт получают металлургическим путем с последующей очисткой или восстановлением окислов кобальта водородом.

В отожженном состоянии кобальт имеет σ_р порядка 500 МПа при Δl/l более 50%.

Кобальт мало активен химически. Он находит применение в качестве составной части многих магнитных и жаростойких сплавов, а также сплавов с небольшим температурным коэффициентом длины.

9 Свинец

Свинец - металл сероватого цвета; имеет на свежем срезе сильный металлический блеск, но затем быстро тускнеет вследствие поверхностного окисления. Он обладает крупнокристаллическим строением; если протравить свинец азотной кислотой, его кристаллы становятся видны даже невооруженным глазом.

Свинец представляет собой мягкий, пластичный, малопрочный металл; предел прочности при растяжении σ_р всего лишь около 15 МПа при относительном удлинении Δl/l более 55%. Он имеет высокое ρ. Свинец обладает довольно высокой коррозионной стойкостью, поэтому его в больших количествах применяют для изготовления кабельных оболочек, защищающих кабель от влаги; часто свинец для этой цели заменяют весьма чистым (особо пластичным) алюминием, а также пластмассами. Свинец используют также для изготовления плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов и т. д. Его употребляют и как материал, поглощающий рентгеновские лучи. Рентгеновские установки с напряжением 200 и 300 кВ по нормам безопасности должны иметь свинцовую защиту толщиной соответственно 4 и 9 мм.

Свинец и его соединения ядовиты.

10 Олово

Олово - серебристо-белый металл, обладающий ярко выраженным крупнокристаллическим строением. При изгибе палочки олова слышен треск, вызываемый трением кристаллов друг о друга. Олово является мягким, тягучим металлом, из которого получают путем прокатки тонкую фольгу. Предел прочности при растяжении белого олова колеблется от 16 до 38 МПа.

Кроме обыкновенного (устойчивого при температуре выше 13,2° С) белого олова, кристаллизующегося в тетрагональной системе, существует серое порошкообразное олово (плотность 5,6 Mг/м³). При низких температурах на белом олове появляются серые пятна (выделение серого олова), получившие название «оловянной чумы». При нагреве серое олово снова переходит в белое. Если нагреть олово выше 160° С, то оно переходит в третью (ромбическую) модификацию и становится хрупким.

При нормальной температуре олово на воздухе не окисляется, вода на него не влияет, а разведенные кислоты действуют очень медленно.

Олово используют в качестве защитных покрытий металлов (лужение); оно входит в состав бронз и припоев. Тонкая оловянная фольга (6-8 мкм), применяемая в производстве некоторых типов конденсаторов, обычно содержит присадки: до 15% свинца и до 1% сурьмы для облегчения прокатки и улучшения механической прочности. Оловянно-свинцовую фольгу толщиной 20-40 мкм применяют в качестве обкладок в слюдяных конденсаторах.

11 Цинк и кадмий

Цинк - светлый металл, получаемый металлургическими методами и очищаемый электролитически. Цинк марки ЦВ (высокоочищенный) содержит не менее 99,99% Zn.

Цинк применяют для защитных покрытий, в качестве составной части латуней и как материал для электродов гальванических элементов. Кроме того, его используют в фотоэлементах и для металлизации бумаги в металлобумажных конденсаторах. Нанесение металлического слоя на бумагу производят путем испарения цинка в вакууме при температуре порядка 600°С.

Кадмий - серебристо-белый металл, являющийся постоянным спутником цинка в его рудах и добываемый как побочный продукт при металлургии цинка; подвергается электролитической очистке. Кадмий выпускают нескольких марок в зависимости от чистоты (наиболее высокая степень чистоты - 99,997%).

Кадмий применяют для изготовления фотоэлементов и покрытий СВЧ-волноводов вместо серебра. Он входит в состав ряда припоев и бронз, используется в производстве гальванических элементов, а также в атомных реакторах - в качестве замедлителя.

12 Индий и галлий

Индий - металл с низкой температурой плавления, использующийся в качестве акцепторной примеси и контактного материала в производстве транзисторов и полупроводниковых диодов.

Галлий интересен тем, что он плавится почти при комнатной температуре. Как и индий, его применяют в полупроводниковой технике в качестве легирующей примеси для германия.

Сплавы индия с галлием, имеющие температуру плавления ниже нормальной, используют как жидкие проводниковые материалы для нанесения электродов на различные диэлектрические и полупроводниковые материалы.

13 Ртуть

Ртуть - единственный чистый металл, при нормальной температуре находящийся в жидком состоянии. Получаемую металлургическим путем ртуть подвергают многократной очистке, заканчивающейся вакуумной перегонкой при температуре порядка 200° С. Ртуть легко испаряется даже при комнатной температуре. Пары ртути отличаются более низким потенциалом ионизации по сравнению с обычными и инертными газами, что и обусловливает применение ртути в газоразрядных приборах.

Ртуть и ее соединения весьма ядовиты; очень вредны пары ртути.

Щелочные и щелочноземельные металлы, магний, алюминий, цинк, олово, свинец, кадмий, платина, золото и серебро растворяются в ртути, образуя амальгамы. Слабо растворяются в ртути медь и никель. Приборы, содержащие ртуть, должны иметь металлическую арматуру из вольфрама, железа или тантала, так как эти металлы не растворимы в ртути.

Ртуть применяют в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях, в ртутных лампах и газоразрядных приборах, в лампах дневного света, а также для ртутных контактов в реле и др.

3.3 Особенности металлов в тонкопленочном состоянии

Применяются для изготовления постоянных и отчасти переменных резисторов.

От состава пленки можно разделить:

материалы на основе металлов и их соединений (оксидов, силицидов, карбидов);

неметаллические (углеродистые) материалы.

Пленочные на основе металлов и их соединений. Используются в микроэлектронике при изготовлении: резисторов и резистивных элементов. Пленки, содержащие кремний, тантал, хром и нихром обладают повышенным значением удельного поверхностного сопротивления и низким значением температурного коэффициента. Наносят пленки на основание (подложку) из ситалла, стекла или другом диэлектрике, пленки и двуокиси олова. Как наносят - путем термического разложения хлористого олова. Как наносят - путем термического разложения хлористого олова.

Термоэлектронная эмиссия. Вторичная эмиссия. Внутри металла свободные электроны находятся в непрерывном тепловом движении, но из металла они не вылетают, так как есть какие-то силы, препятствующие их вылету из металла.

Металлическая пластина - электрически нейтральная. Если электроны покинут поверхность металла, то металл заряжается положительно, а около границы раздела металл-вакуум, образуется скопление электронов. Между этими электронами и положительными ионами (находящимися внутри металла) образуется электрическое поле. Для последующих электронов, стремящихся покинуть металл, поле будет тормозящим, а для электронов покинувших металл - ускоряющим и будет притягивать их обратно в металл.

Рисунок 3.4 - Разность потенциалов на границе металл-вакуум

Чтобы покинуть металл электрон должен совершить определенную работу по преодолению сил обратного притяжения к металлу. Эта работа носит название работы выхода.

Процесс выхода электрона из металла в окружающую среду получил название электронной эмиссии.

Эмиссия возможна только тогда, когда кинетическая энергия электрона (находящегося в металле) больше или равна работе выхода

где е - заряд электрона, Кл;

φ - разность потенциалов, В

цезий - 1,81 эВ

барий - 2-2,52 эВ

торий - 3,4 эВ

ртуть - 4,4 эВ

вольфрам - 4,52

Виды эмиссии. Чтобы электроны могли выйти из металла, необходимо сообщить им из вне необходимую дополнительную энергию, достаточную для преодоления противодействующих сил. В зависимости от способа сообщения дополнительной энергии различают виды эмиссии:

термоэлектронную - за счет нагрева катода;

фотоэлектронную - за счет энергии света;

электростатическую (автоэлектронную), при которой сильное электрическое поле у поверхности катода создает силы, способствующие выходу электронов из металла;

вторичную - результат бомбардировки катода потоком первичных электронов и ионов.

Катодом называется тело излучающие электроны.

Особенности термоэлектронной эмиссии. При комнатной температуре число электронов, энергия которых превышает работу выхода, ничтожно мала. Если нагреть катод до определенной температуры, то произойдет эмиссия. Рассмотрим зависимость тока эмиссии от температуры (формула Дэшмана)

,

где S - площадь поверхности катода, излучающего электроны, см²;

А - постоянная для данного катода;

Т - абсолютная температура катода;

е - (2,72) основание натурального логарифма

e φ - работа выхода, эВ

К - постоянная Больцмана = 8,62 * 10эВ/градус

Рисунок 3.5 - Эмиссия вольфрамового катода

Эмиссия начинается лишь при температуре 2200°, и при дальнейшем увеличении Т° растет очень быстро.

У разных катодов разная работа выхода, а поэтому ток эмиссии начинается при других температурах больших или меньших.

Параметры катодов. Типы катодов. Максимальная плотность тока эмиссии, эффективность, рабочая температура, долговечность.

Эффективность - ток эмиссии на один ватт мощности, затраченной на нагрев катода.

Н = Ie/Pнагрева [мА/Вт]

Чем ниже рабочая Т°, тем меньше мощности необходимо для нагрева катода, поэтому необходимо уменьшать работу выхода.

Долговечность - это время, в течение которого катод может непрерывно работать сохраняя свои важнейшие параметры.

Типы катодов. У вольфрамовых катодов большая работа выхода, высокая рабочая температура, малая эффективность.

Вольфрамобариевые катоды

Вольфрам покрывают пленкой бария, атомы бария диффузируют через поры вольфрама внутрь его.

Работа выхода бария меньше вольфрама, а поэтому электроны бария, проникнув в вольфрам заряжают его поверхность отрицательно, а атомы бария заряжаются положительно. Теперь электрическое поле для электронов вольфрама становится ускоряющим, что уменьшает работу выхода. Такие катоды называют активированными, рабочая Т° резко уменьшается и приблизительно около 710°C, что повышает экономичность, так как повышается эффективность, увеличивается долговечность.

Недостаток: разрушается активизирующий слой под действием ионов, поэтому в требуется высокий вакуум.

Нельзя перекаливать катоды, так как разрушается активизирующий слой.

Оксидный катод (полупроводниковый)

На никель или вольфрам наносится слой смеси оксидов щелочноземельных металлов - бария, кальция, стронция.

Рабочая температура Т°=700-800°С, эффективность до 100 мА/Вт, срок службы до 10-15 тыс. часов, работа выхода составляет до 1,2 эВ.

Эмиссия зависит от действия внешнего электрического поля (эффект Шоттки). Электрическое поле проникает вглубь оксидного слоя и уменьшает работу выхода, что увеличивает термоэмиссию при Т° = const.

Недостаток оксидных катодов: недокал и перекал приводят к перегреву оксида и его разрушению.

Вторичная эмиссия

Она может осуществляться как с нагретых так и с холодных катодов.

Рисунок 3.6 - Получение вторичных электронов

Если создать n1 первичных электронов с первичного катода с помощью термоэмиссии, то за счет ускоряющего электрического поля между катодами (φк2>φ к1), первичные электроны с ускорением будут двигаться в сторону вторичного и его бомбардировать. Так как электроны получают дополнительную энергию, то они выбивают из второго катода вторичные электроны.

Важный показатель - коэффициент вторичной эмиссии σ = n2/n1, который показывает сколько электронов выбивает первичный электрон из второго катода. σ ≈ 1-10 раз и более

Этот эффект находит широкое применение в различных электронных приборах.

3.4 Сверхпроводящие проводники. Статический эффект Джозефсона. Применение сверхпроводимости

Сопротивление веществ зависит от состояния кристаллической решетки. При высокой Т° правильность решетки нарушается тепловым движением атомов с понижением Т° эта правильность решетки восстанавливается и способствует уменьшению сопротивления. При очень низких Т° сопротивление достигает остаточного значения, которое почти не зависит от Т° и обусловлено наличием примесей и дефектами кристаллической решетки. При Т° 4,12°К (-268,88) у ртути внезапно исчезает электрическое сопротивление. Это явление назвали сверхпроводимостью.

Сейчас обнаружена сверхпроводимость у более 26 элементов (олово, цинк, свинец…)

Сверхпроводимость обнаружена и в некоторых сплавах, составные части которых сами по себе не обладают такими свойствами. Например, сплавы висмута с натрием, калием. Сейчас сверхпроводимость обнаружена у 500 сплавов и соединений.

Кристаллическая Т° перехода образует почти в два десятка кельвинов: 18К - для химического соединения Nb3Sn и 0,14 - для иридия, 23,2К -германид ниобия.

Пленки сверхпроводящих материалов обладают особыми свойствами, у них критическая температура превышает Т° объемных материалов.

Основная задача увеличить Т°кр, хотя бы до 77,4К, что позволит применять для охлаждения сжиженный азот (77,4К), а это удешевить и упростить устройства.

Применение

На основе пленочных материалов созданы запоминающие устройства, накопителей энергии, волноводов с малым затуханием, малогабаритные электрические машины, трансформаторы с высоким КПД.

Созданы сверхпроводящие соленоиды, создающие магнитные поля 8*10А/м.

Возможно создать линии электропередач без потерь на нагрев.

Электромагнит (постоянный) - электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого подвода энергии извне (расходы на охлаждение надо учесть).

Это идеальные диамагнетики, т.е. их магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело, а если переход в сверхпроводящее состояние произошел в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника.

Физическая природа сверхпроводимости была понята в 1957 на основе теории (Ландау) сверхтекучести гелия.

Сверхпроводимость это макроскопический эффект. Между электронами металла помимо кулоновского отталкивания, в достаточной степени ослаблено экранирующим действием положительных ионов решетки, в результате электрон-фотонного взаимодействия (взаимодействия электронов с колебаниями решетки) возникает слабое взаимное притяжение и при определенных условиях может преобладать над отталкиванием. В результате электроны проводимости, притягиваясь, образуют своеобразное связанное состояние, называемое куперовской парой. «Размеры» пары много больше (примерно на четыре порядка) среднего межатомного расстояния, т.е. между электронами, «связанными» в пару, находится много «обычных» электронов.

Чтобы разрушить эту пару (оторвать одни из ее электронов) надо затратить энергию, которая пойдет на преодоление сил притяжения электронной пары. Такая энергия может быть в принципе получена в результате взаимодействия с фотонами. Однако пары сопротивляются своему разрушению. Это объясняется тем, что существует не одна пара, а целый ансамбль взаимодействующих друг с другом куперовских пар.

Электроны, входящие в куперовскую пару, имеют противоположные спины., поэтому спин такой пары равен нулю и она представляет собой Бозон.

К бозонам принцип Паули неприменим, и число бозе-частиц, находящихся в одном состоянии, не ограничено.

Поэтому при сверхнизких Т° бозоны скапливаются в основном состоянии, из которого их довольно трудно перевести в возбужденное.

Система бозе-частиц кулоновских пар, обладая устойчивостью относительно возможности отрыва электрона, может действием внешнего электрического поля двигаться без сопротивления со стороны проводника, что и приводит к сверхпроводимости.

Сверхпроводящие кабели. Сигналы электросвязи, распределяющиеся по кабелям связи, сильно ослабляются по амплитуде (затухают), за счет потери энергии в токоведущих проводах и диэлектрике.

Для уменьшения потерь были созданы сверхпроводящие кабели за счет явления сверхпроводимости. При температуре -273°С (если охладить кабель), то его сопротивление будет ничтожно мало, а значит будет минимум потерь. Используют материалы (алюминий, олово, ниобий, свинец, тантал). У меди - сверхпроводимости не наблюдается.

На низких частотах сопротивление мало, но с повышением частоты (до 1 ГГц) сопротивление сверхпроводников возрастает.

По конструкции сверхпроводящие кабели выполняют коаксиальными. Внутренний проводник делают из ниобия, внешний из свинца, а изоляция - из фторопласта. Кабель помещают в трубопровод из нержавеющей стали с теплоизолирующим покрытием. По трубопроводу прокачивают хладагент - жидкий и газообразный азот, водород или гелий, создающий нужную низкую температуру. Для обеспечения прокачки хладагента и низкой температуры через каждые 10 - 20 км сверхпроводящего кабеля устанавливаются криогенные станции. Создаются комбинированные кабели для передачи электропередачи и электросвязи.

Достоинства сверхпроводящих кабелей:

-        через кабель не проникают электромагнитные поля, что очень важно с точки зрения защиты линии от внешних помех;

-        затухание меньше в 10³ раз по сравнению с обычным кабелем на частоте 1 кГц и в 10⁶ раз при 1 МГц и в 10⁴ раз при 1 ГГц, что позволяет организовать связь на большие расстояния без промежуточного усиления.

Недостатки:

через 10 -20 км необходимо размещать криогенные станции, стоимость их высокая.

Эффект Джозефсона (англичанин,1963). Предсказал эффект протекания сверхпроводящего тока сквозь тонкий слой диэлектрика (пленка оксида металла толщиной ≈1нм) разделяющий два сверхпроводника (контакт Джозефсона). Если ток через этот контакт не превышает некоторое критическое значение, то падения напряжения на нем нет (стационарный эффект), если превышает - возникает падение напряжения и контакт излучает электромагнитные волны (нестационарный эффект). Частота излучения связанна с U на контакте φ = 2еU/h.

Возникновение излучения объясняется тем, что куперовские пары, проходя сквозь контакт, приобретают относительно основного состояния сверхпроводника избыточную энергию.

Возвращаясь в основное состояние, они излучают квант электромагнитной энергии hφ=2eU.

Эффект используется для точного измерения очень слабых магнитных полей (до 10Тл), токов (до 10А) и напряжений (до 10В), а также для создания быстродействующих элементов логических устройств ЭВМ и усилителей.

3.5 Контактная разность потенциалов, термо-эдс, эффекты

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной.

Это обнаружил Вольт (итальянец). Например, если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Pt, Pd привести в контакт в указанный последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из последующих заряжается положительно. Это ряд Вольта. Uконт ≈ от десятых долей до целых вольт.

Два закона:

1) Uконт зависит от химического состава и температуры соприкасающихся металлов

) Uконт последовательно соединенных различных проводников, находящихся под одинаковой Т°, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна Uконт, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Механизм возникновения

Соединяют два металла с разной работой выхода А1 и А2, причем А2>А1 (т.е. с различными положениями уровня Ферми, верхнего заполненного электронами энергетического уровня)

Рисунок 3.7 - Образование контактной разности потенциалов

При контакте металлов электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить на более низкие уровни металла 2, поэтому металл 1 заряжается положительно, а металл 2 - отрицательно. Одновременно происходит смещение энергетических уровней: в металле 1 все уровни смещены вниз, а в металле 2 - вверх. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока между соприкасающимися металлами не установится равновесие, т.е. произойдет совпадение уровней Ферми (рисунок 3.7 в), но работы выхода не изменятся, а вот потенциальная энергия изменится в точках ВГ (рисунок 3.7 г), т.е. возникает разность потенциалов равная ∆φ’=(А2-А1)/е, которую называют внешней.

Если уровни Ферми неодинаковые, то между внутренними точками металла возникает внутренняя разность потенциалов ∆φ’’=(ЕF1-EF2)/e, это объясняется различной концентрацией электронов в металлах. ∆φ’’ зависит от Т° контактов металлов. Как правило ∆φ’>>∆φ’’. ∆φ’’ - образуется в контактном слое, толщиной ≈ м.

Эффект Зеебека (1821, немец). Согласно второму закону Вольта, в замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов, с разной Т° в месте контакта, то в цепи возникает электрический ток, называемый термоэлектрическим. Это явление наблюдал Зеебек.

Он создал электрические цепи из металлов Сu-Bi (медь-висмут), Ag-Cu, Au-Cu, при этом контакты имели разную температуру, контакт А имел Т1, контакт В имел Т2, где Т1>T2. Между контактами возникла термоэлектродвижущая сила и стал протекать ток от точки А.

Рисунок 3.8 - Возникновение термо-эдс

Для пары металлов медь-константан, при Т=100К эдс≈4,25 мВ.

Для поддержания постоянного тока необходимо постоянство температур контактов: к более нагретому непрерывно подводить тепло, а от холодного - отводить. Это явление используется в измерении температур (термопарах).

Чувствительность их повышается если термопары соединяются последовательно.

Тепловые преобразователи делятся:

термоэлектрические (термопары);

терморезисторы (термометры сопротивления);

термомеханические;

монометрические.

Термопара - это разновидность термоэлектрических преобразователей генераторного типа.

Принцип действия основан на возникновении термо-эдс на концах двух разнородных материалов, находящихся в разных температурных режимах.

Конструктивно состоит из двух разнородных, специально подобранных проводников, одни концы которых сварены между собой, а другие подсоединены к прибору.

Рабочий (горячий) слой помещают в защитный кожух и устанавливают в месте контроля температуры.

Если Т° свободных холодных слоев термопары отличается от Т° горячего слоя, то вследствие термоэлектрического эффекта на электродах возникает термо-эдс, пропорциональная разности температур.

Термопара ТПП - обладает высокой точностью и стабильностью. Изготавливается из проволоки диаметром 0,3 - 0,5 мм (чистая платина и сплав платины 90% и родия 10%). Работает если T⁰_накала = 100°С, а свободного 0°С, тогда термо-эдс ≈ 0,64 ± 0,03 В.

Для измерения низких температур в диапазоне от 200 до 350°С делают хромедь-алюминевую пару (ТХА), эдс≈40 мкВ/°С

Эффект Пельтье (1834, француз). Он обнаружил, что при прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока в зависимости от его направления помимо джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота, т.е. это эффект обратный эффекту Зеебека.

В отличие от джоулевой теплоты, которая пропорциональна квадрату тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени тока и меняет знак при изменении направления тока.

Рисунок 3.9 - Электрическая цепь из двух разнородных материалов

Если создать электрическую цепь из двух разнородных материалов, через которое пропустить ток I (его направление выбрано согласно термотока на рисунке 3.9) при условии Т1>T2, то слой А, который имел большую температуру при эффекте Зеебека, будет охлаждаться, а слой В - нагреваться. При изменении направления I’ слой А будет нагреваться, а слой В - охлаждаться.

Так как электроны по разную сторону слоя обладают разной средней энергией (полной кинетической плюс потенциальной). Если электроны пройдут через слой В и попадут в область с меньшей энергией, то избыток своей энергии они отдадут кристаллической решетке и слой будет нагреваться. В слое А электроны переходят в область с большей энергией, забирая теперь недостающую энергию у кристаллической решетки, и слой будет охлаждаться. Это явление используется в термоэлектрических холодильниках (созданы в 1954 Иоффе), в электронных приборах.

Эффект Томсона (1856, Кельвин). Исследуя термоэлектрические эффекты, пришел к заключению, что при прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику должно происходить дополнительное выделение (поглощение) теплоты аналогичной теплоте Пельтье.

Т.е. он подтвердил теорию Томсона и дал практическое объяснение - так как в более нагретой части проводника электроны имеют большую среднюю энергию, чем в менее нагретой, то, двигаясь в направлении убывания Т°, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона.

Контрольные вопросы к теме 3

Пояснить зависимость сопротивления металлов от температуры.

Дать понятие сверхпроводимости металла и пояснить от чего и как они зависят?

Указать виды электронной эмиссии и особенности термоэлектронной эмиссии.

Сущность эффекта Джозефсона.

Пояснить сущность эффекта Зеебека, Пельтье.

ТЕМА 4. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ

.1 Магнитная структура доменов в кристаллах. Процесс намагничивания. Магнитный гистерезис, магнитная анизотропия

Физические процессы в магнитных материалах. Все вещества в природе являются магнитными, т. е. они взаимодействуют с внешним магнитным полем и обладают определенными магнитными свойствами, которые обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов. Если это движение круговое, возникает элементарный круговой ток и соответствующий ему магнитный момент, направление которого определяется правилом буравчика. В каждом веществе такими элементарными круговыми токами являются орбитальное вращение электронов вокруг атомов и вращение электронов вокруг собственных осей (спиновое вращение), что приводит к появлению орбитального и спинового магнитных моментов электрона. Магнитный момент электронной оболочки и определяет магнитные свойства атома, поскольку он приблизительно в тысячу раз больше магнитного момента атомного ядра. Различный характер электронной структуры атомов приводит к различию магнитных свойств веществ.

По силе взаимодействия с магнитным полем все вещества можно разделить на слабомагнитные и сильномагнитные. Сила взаимодействия вещества с магнитными полем оценивается безразмерной величиной: магнитной восприимчивостью k_M:

k_М=M/H, (4.1)

где М - намагниченность вещества под действием магнитного поля, А*м-¹;

Н - напряженность этого поля, А*м^-1.

Слабомагнитные вещества характеризуются величиной k_М << 1, т. е. изменение намагниченности вещества под действием внешнего поля очень незначительно. К ним относят диамагнетики и парамагнетики.

Парамагнетики отличаются тем, что при помещении этих веществ в магнитное поле они усиливают его внутри себя (k_M>0). Это происходит из-за совпадения направления намагниченности парамагнетиков с направлением внешнего поля. К парамагнетикам относят алюминий, платину и др.

Диамагнетики характеризуются тем, что ослабляют внутри себя то магнитное поле, которое действует извне. Это происходит вследствие того, что их намагниченность направлена против внешнего поля (k_M<0). К этим веществам относят большинство органических соединений и ряд металлов: медь, серебро, золото, свинец и др.

Наибольший интерес с точки зрения технического применения представляют сильномагнитные вещества (k_M >> 1), к которым относят ферромагнетики и ферримагнетики.

Ферромагнетики характеризуются, во-первых, способностью сильно намагничиваться даже в слабых полях (k_M=10³-10⁵). Вторая их особенность состоит в том, что выше определенной температуры, называемой температурой Кюри Т_к, ферромагнитное состояние вещества переходит в парамагнитное, т. е. магнитная восприимчивость снижается на три-четыре порядка. К ферромагнетикам относят железо, никель, кобальт и их сплавы, сплавы хрома и марганца и др.

Ферримагнетики - это вещества, получившие название от сложных оксидных материалов - ферритов. Они имеют свойства, во многом подобные свойствам ферромагнетиков, но значительно уступают им по величине предельной намагниченности. Под ферритами понимают соединения оксида железа Fe₂O₃ с оксидом металла МеО типа MeO-Fe2O₃. Магнитные свойства ферримагнетиков тесно связаны с взаимным расположением в кристаллической решетке ионов железа и металла.

По данным современной теории в ферромагнитном веществе в отсутствие внешнего магнитного поля существуют самопроизвольно намагниченные области, называемые магнитными доменами. В доменах магнитные моменты электронов ориентированы параллельно друг другу. В зависимости от кристаллической структуры вещества домены имеют различную форму. Линейные размеры доменов составляют от тысячных до десятых долей миллиметра. Направления намагниченности отдельных доменов располагаются неупорядоченно, из-за чего общая намагниченность материала равна нулю (рисунок 4.1).

а - при отсутствии поля; б - в слабом поле; в - в сильном поле; г - при насыщении

Рисунок 4.1 - Схема ориентирования векторов намагниченности в доменах ферромагнетика

Рисунок 4.2 - Направления легкого и трудного намагничивания в монокристаллах железа(а), никеля(б), кобальта(в)

Ферро- и ферримагнетики являются кристаллическими веществами. Намагничивание отдельных кристаллов (монокристаллов) ферромагнитных веществ имеет свои особенности: в кристаллах различают направления наилучшего (легкого) и наихудшего (трудного) намагничивания (магнитная анизотропия). На рисунке 4.2 показаны направления легкого и трудного намагничивания трех основных ферромагнитных элементов: железа, никеля и кобальта. Железо и его сплавы Fe-Ni, Fe-Si кристаллизуются в кубической структуре и осями легкого намагничивания у них являются ребра куба, а самого трудного - пространственные диагонали. Для никеля, имеющего также кубическую структуру, распределение осей намагничивания противоположное. Направления легкого и трудного намагничивания кристалла кобальта, имеющего гексагональную структуру, показаны на рисунке 4.2, в.

В отдельных случаях и в поликристаллических материалах особыми технологическими приемами создается преимущественная ориентация отдельных кристаллов материала в заданном направлении. В этом случае говорят, что поликристаллический материал обладает магнитной текстурой (рисунок 4.3). Это выражается в получении повышенных магнитных характеристик материала в одном направлении. Возможность достижения заданной магнитной текстуры имеет большое значение и широко используется на практике.

Процесс намагничивания материала сопровождается изменением его доменной структуры. В размагниченном образце направления намагниченности доменов совпадают с осями легкого намагничивания кристалла и распределены одинаково во всех направлениях. При появлении внешнего магнитного поля самым, выгодным направлением намагниченности домена будет та ось легкого намагничивания, которая составляет наименьший угол с направлением внешнего поля, поскольку:

W_Н = -HMcosθ (4.2)

где W_H - энергия взаимодействия вектора намагниченности домена М с внешним полем величины Н, выраженная в Дж;

θ - угол между направлениями внешнего поля и вектора намагниченности.

Рисунок 4.3 - Схема расположения кристаллов относительно направления прокатки для материалов с кубической текстурой

Рисунок 4.4 - Основная кривая намагничивания и кривая магнитной проницаемости ферромагнитного материала в области очень слабых полей(1), слабых полей(2), средних полей(3) и сильных полей(4).

Вид доменной структуры в точках а, б, в, г показан на рисунке 4.1.

Процесс намагничивания материала зависит от величины приложенного поля. В слабых полях происходит процесс роста объема тех магнитных доменов, намагниченность которых наиболее выгодно ориентирована по отношению к действующему полю. В первую очередь это будут домены, для которых значения угла θ минимальны. Этот процесс развивается за счет уменьшения объема тех доменов, для которых значения угла θ максимальны, например за счет доменов с противоположным полю направлением намагниченности. Если напряженность поля уменьшить до начального значения, то исходное распределение объемов доменов восстанавливается. Таким образом, на этой стадии процесс намагничивания обратим и его называют обратимым процессом смещения границ доменов. На рисунке 4.4 это соответствует первому участку кривой намагничивания, т. е. кривой, показывающей зависимость намагниченности, или индукции материала от величины внешнего поля Н. Внутренняя магнитная индукция материала В_i, измеряемая в Тл, связана с его намагниченностью формулой:

В_i = μ₀M (4.3)

где μ₀ - магнитная постоянная, равная 4π10^-7 Гн/м.

При усилении поля картина намагничивания изменяется: векторы намагниченности всех доменов постепенно, по мере усиления поля, поворачиваются в направлении поля в энергетически более выгодное положение (рисунок 4.1). В этом процессе участвует преобладающая часть доменов, поэтому намагниченность образца изменяется значительнее и второй участок кривой намагничивания идет более круто по сравнению с первым (рисунок 4.4), При возвращении к начальному значению поля доменная структура уже не возвращается к исходному состоянию, и образец сохраняет какую-то намагниченность в направлении поля. Второй этап намагничивания происходит необратимо, и его называют необратимым процессом смещения границ доменов.

При дальнейшем росте напряженности поля (третий участок кривой на рисунке 4.4) происходит полный поворот векторов намагниченности доменов в направлении поля, называемый процессом вращения. Этот процесс заканчивается состоянием технического насыщения намагниченности материала, когда все векторы намагниченности доменов ориентированы вдоль направления поля.

В реальных магнитных материалах различные виды процессов намагничивания перекрывают друг друга. На процесс намагничивания оказывают влияние такие явления, как магнитострикция, механические напряжения, наличие немагнитных включений, неоднородностей и ряд других факторов.

Магнитострикцией называют явление изменения линейных размеров магнитного материала при его намагничивании. Количественной характеристикой величины магнитострикции материала является, например, константа λ_S называемая магнитострикционной деформацией насыщения:

 (4.4)

где Δl_S - изменение длины образца l₀ в направлении поля при увеличении его напряженности от нуля до величины H_S, вызывающей техническое насыщение.

Это явление характерно для всех магнитных материалов. Константа λ_S может быть положительной и отрицательной. В случае ее нулевого значения на магнитные свойства не оказывают влияния внутренние механические напряжения в материале и внешние механические усилия, вызываемые сдавливающим действием обмоток, стяжкой сердечников крепежом и т. д.

Магнитострикционные фильтры. Материалы, никель, феррит и др. обладают свойствами изменять свою длину при изменении магнитного поля, в которых они находятся. Этот эффект назвали магнитострикционным. На базе этого эффекта делают фильтры, состоящих из жестко закрепленного никелевого или ферритового стержня длиной в несколько сантиметров. На стержне находятся катушка с индуктивностью несколько десятков мкГн и постоянный магнит. При протекании по катушки переменного тока магнитное поле изменяется, что приводит к изменению длины стержней и их резонансных частот. У таких фильтров высокая добротность порядка 2000-4000, их еще называют резонаторами.

Петля гистерезиса. При циклическом намагничивании кривая намагничивания образуют петлю гистерезиса, так как при размагничивании обнаруживается остаточный магнетизм, так как не все домены под влиянием температура теряют направленную ориентацию, обусловленную внешним полем.

Рисунок 4.5 - Петля гистерезиса

Остаточный магнетизм наблюдается, если образец поместить в неземное электрическое поле. При возрастании Н магнитной изменяется кривая ОА. При уменьшении Н магнитный поток будет изменяться по кривой АВ. Изменение магнитного потока отстает от изменений намагничивающего поля. Такое отставание называется магнитным гистерезисом. Это явление обусловлено инерцией изменений ориентации магнитных полей доменов материала.

При уменьшении Н до нуля в материале сохраняется некоторая остаточная магнитная индукция Во (отрезок ОВ). Чтобы полностью размагнитить материал необходимо создать внешнее магнитное поле обратного направления. Тогда при некотором значении Нс (отрезок ОГ), индукция в образца равна нулю - образец размагничен. Величину Нс называют задерживающей или коэрцитивной силой. Если продолжить намагничивать образец, то можно довести его до насыщения (точка Д), а при уменьшении Н вновь наблюдается гистерезис, и при Н=0 возникает отрицательная остаточная индукция (отрезок ОЕ), и для ее устранения необходимо создать Нс (отрезок ОЖ). Таким образом перемагничивание происходит по кривой АБГДЕЖА. Площадь и форма этой кривой различна для разных материалов. Магнитомягкие материалы перемагничиваются относительно в слабых полях Н до сотен А/м и характеризуются высокими значениями относительной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой.

Магнитотвердые материалы перемагничиваются в сильных магнитных полях Н=кА/м и высокой остаточной магнитной индукцией.

Магнитодиэлектрики (ферромагнитные) характеризуются постоянством относительной магнитной проницаемостью и малыми потерями на перемагничивание. Их применяют на высоких частотах для изготовления магнитопроводов, сердечников катушек индуктивностей.

4.2 Зависимость параметров от температуры. Свойства магнитных материалов в СВЧ полях

Ферромагнитные свойства ряда веществ теряют при нагревании, µ≈1. Эта температура, характерная для каждого ферромагнитного вещества носит название точка Кюри (имя фран. Пьер Кюри). Например: железо (707ºС), никель - 360ºС, кобальт - 1130ºС. У некоторых при 100ºС.

На СВЧ применяют материалы, имеющие малую электрическую проводимость - ферриты и магнитодиэлектрики.

Ферриты получают химическим соединением Fe2O3 с оксидами металлов, а также другими способами. Для радиочастот применяют никель - цинковые и марганец-цинковые. Для них важные параметры:

тангенс угла потерь tg δ;

критическая частота fкр (резко возрастают потери);

относительный температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости αμ0:

обратная магнитная проницаемость μобр (т.е. предел отношения изменения магнитной индукции к удвоенной амплитуде напряженности магнитного поля в данной точке кривой намагничивания, деленной на магнитную постоянную) при заданных условиях.

Магнитодиэлектрики

Представляют собой конгломерат из измельченного ферромагнетика, частицы которого разделены между собой в электрическом отношении изолирующими пленками из немагнитного материала, являющегося одновременно механической связкой.

Обладают более высокими удельным электрическим сопротивлением, более высокочастотны и более высокую стабильность свойств, проще технология.

Материалы: карбоксильное железо. Широко используется в волноводах для изменения структуры поля и скорости распространения волн - помещают внутрь волновода магнитодиэлектрик.

Эффект Холла (1879)

Возникновение в металле с током с определенной плотностью помещенном в магнитное поле, электрического поля в направлении, перпендикулярном магнитной проницаемости (В).

Рисунок 4.6 - Пояснение эффекта

Если поместить металлическую пластинку с током в магнитное поле В, перпендикулярно току, то электроны будут испытывать силу Лоренца, которая направлена вверх, поэтому у верхнего края пластины возникает повышенная концентрация электронов (верхняя часть заряжается отрицательно, а у нижнего - недостаток (заряжается положительно), возникает поперечное электрическое поле, направленно снизу вверх. Когда значение Епопер достигнет и будет уравновешивать силу Лоренца, то установится стационарное распределение зарядов в поперечном направлении, тогда

∆φ = VBa = R (IB/d) = IB/en d

где а - ширина пластины;

∆φ - разность потенциалов;

d - толщина пластины;

R - постоянная Холла, зависящая от частицы = 1/en

Применение:

определить концентрацию носителей тока в проводнике;

судить о природе проводимости полупроводников;

для изучения электрического спектра носителей тока в металлах и полупроводниках;

для умножения постоянных токов в аналоговых вычислительных машинах измерительной техники.

Свойства магнитных материалов в СВЧ полях. Они используются для работы в диапазоне частот от сотен до десятков тысяч МГц для передачи электромагнитной энергии такой частоты применяют волноводы - это полые металлические конструкции. Структуру поля и скорость распространения волн можно изменять, помещая внутрь волновода феррит. Ферриты используются в различных устройствах одновременном воздействии на них переменного магнитного поля Н СВЧ диапазона и постоянного магнитного поля Но. В этих условиях магнитная проницаемость µ является тензорной величиной. А это означает, что при совпадении частот возникает гиромагнитный резонанс, который используется при изготовлении различных СВЧ устройств.

Например, если используют ферритовый элемент, помещенный внутрь волновода, называют вкладышем. От его размера и конфигурации определяется назначение устройств СВЧ (вентиль, фазовращатель, циркулятор) и условия его работы (диапазон частот и температур, уровень мощности). Вкладыш помогает осуществить согласование сопротивлений волновода с нагрузкой.

Для каждого диапазона волн определяют определенную группу ферритов. Для длинноволновой части СВЧ-диапазона применяют магниевые и никелевые феррохромиты. В низкочастотной части диапазона СВЧ-иттриевые ферраты - гранаты.

Контрольные вопросы к теме 4

Указать как разделяются вещества по силе взаимодействия с магнитным полем.

Пояснить понятие коэрцитивной силы и что зависит от значения этой силы?

Сущность эффекта Холла и его применение.

 

ТЕМА 5. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛАХ

5.1 Зонная модель полупроводников (ПП). Вырожденные и невырожденные ПП. Уровень Ферми в ПП. Зависимость уровня Ферми от температуры, степени концентрации примеси

Для создания современных полупроводниковых приборов в качестве исходного материала применяют: германий, кремний, селен, теллур, соединения АВ (элементы третьей и пятой группы таблице Менделеева). Тройные соединения АВС.

Для ПП характерно кристаллическое строение, т.е. закономерное и упорядоченное расположение их атомов в пространстве (ранее было сказано и показано), между атомами есть связи. Они образованы валентными электронами, которые взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и с соседними ядрами. Связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами по одному от каждого атома. Такая связь называется двух электронной или ковалентной. При этом электроны связи принадлежат уже не одному, а сразу обоим, связанных между собой атомами.

В результате на внешней орбите каждого из атомов находится по восемь электронов. Такую решетку имеют чистые ПП при (-273 градусов С).

Электроны в атоме обладают определенными значениями энергии, составляющими совокупность дискретных уровней энергии атома. При образовании твердого тела за счет взаимодействия атомов энергетические уровни расширяются и образуют энергетические зоны, состоящие из отдельных близко расположенных по энергии уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в теле. Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называют разрешенной зоной. Эта зона характеризуется тем, что она заполнена валентными электронами при Т = 0 К, эту зону часто называют валентной зоной.

Выше валентной зоны расположена запрещенная зона, она характеризуется тем, что в ее пределах нет электрических уровней, на которых могли бы находится электроны данного кристалла. Зона характеризуется шириной ΔW = до3 ЭВ.

Выше запрещенной зоны находится разрешенная зона, которую называют зона проводимости. В этой зоне могут появляться электроны, которые оторвутся от своих атомов. Эти электроны способны перемещаться по кристаллической решетки, электроны в этой зоне называют свободными или электронами проводимости. Чтобы оторвать электрон от атома ему необходимо сообщить дополнительную энергию, равную ширине запрещенной зоны. Значение ΔWз зависит от структуры решетки, т.е. от материала. Например, у кремния ΔWз=1,12 эВ, у арсенида галлия-1.41 эВ.

W_С - дно зоны проводимости; W_V - потолок валентной зоны

Рисунок 5.1 - Энергетическая диаграмма собственного полупроводника

Дополнительную энергию можно сообщить валентному электрону за счет тепла, ионизирующего излучения, освещения, сильного электрического поля, кинетической энергии движущихся частиц.

Собственный полупроводник. Полупроводник, имеющий в узлах решетки только свои атомы, называют собственным (без примеси). Получив дополнительную энергию, валентный электрон переходит в зону проводимости и становится свободным - обозначим его n_i.

Уход электрона из валентной зоны приводит к образованию в ней незаполненных энергетических уровней, которые назвали дырками (р_i). Валентные электроны, если создать электрическое поле, могут перемещаться на свободные уровни, создавая дырки в другом месте. Такое перемещение можно рассматривать как движение положительно заряженных фиктивных зарядов - дырок.

Процесс образования пары электрон-дырка называют генерацией пар, т.е n_i=р_i образовавшиеся в результате разрыва ковалентных связей электроны и дырки совершают хаотическое движение в объеме ПП до тех пор, пока электрон не будет “захвачен” дыркой, а энергетический уровень дырки не будет” закрыт” электроном из зоны проводимости. При этом разорванные ковалентные связи восстанавливаются, а электрон и дырка исчезают. Этот процесс называется - рекомбинацией.

Концентрация зарядов в ПП. Вероятность Fn (W) нахождения свободного электрона в энергетическом состоянии W определяется функцией Ферми- Дирака:

,

где Wf - уровень энергии, которую электрон может занимать с вероятностью ½, назвали уровень Ферми, в собственном ПП он находится примерно посередине запрещенной зоны при любых температурах.

 

Wf=(Wc+Wv)/2,

КТ - средняя энергия теплового движения микрочастиц при температуре по Кельвину, где  Дж/К - постоянная Больцмана.

Если разность W-Wf или Wf-W более чем в 3 раза превышает значение КТ, то единицей в знаменателе пренебрегают, тогда функция Ферми запишется:

Fn=e *(Wf-W)/КТ; Fp(W)= e *(W-Wf)/КТ

Используя указание формулы можно определить количество дырок и электронов в собственном ПП:

,

,

,

,

где Nc - эффективная плотность состояния в зоне проводимости равная для германия 5*10¹⁹см^-3, для кремния 2*10²⁰см^-3.

Nv - эффективная плотность дырок в валентной зоне;

m_n = m_p = m_o - эффективная масса электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне;

h - постоянная Планка, 6,62*10^-34Дж/с.

В идеальном кристалле p_i=n_i и при Т=293 градусов Кельвина в германии равно 2,5*10^-13см³, так как в одном см³ содержится 4,4*10²² атомов, то один свободный электрон приходится на миллиард атомов вещества.

Среднее время жизни численно определяется как время, в течение которого концентрация носителей уменьшается в е раз (2,72). Если в ПП создать эл. поле напряженностью Е, то хаотическое движение носителей станет упорядоченным. Дырки и электроны начнут двигаться во взаимно противоположных направлениях. Возникнут два встречно направленных потока, создающих токи, плотностью:

I пр=enm_nE,р=еpm_рЕ,

где е - заряд электрона;

n, p - число электронов и дырок в единице объема вещества;

m_n, m_р - подвижность носителей.

Подвижность есть величина, характеризуемая средней направленной скоростью в эл. поле с Е в/см и равна μ.

Так как n_i и p_i движутся в противоположных направлениях, то результирующая плотность тока:

Iпр=Inдр+Iр др=(еnm_n+eрm_р)E

Движение носителей за счет сил эл. поля называется дрейфовым током. Движение за счет градиента концентрации называется током диффузии.

В кремнии n_i = 1,4*10¹¹см^-3. Полученные значения в собственном ПП устанавливаются как результат динамического равновесия двух непрерывно идущих процессов - генерации и рекомбинации.

Промежуток времени, прошедший с момента генерации частицы, до ее рекомбинации называют временем жизни, а расстояние, пройденное частицей за время жизни - диффузионной длиной. Так как время жизни каждого из носителей различно, для однозначной характеристики ПП под временем жизни чаще всего понимают среднее время жизни, а под диффузионной длиной - среднее расстояние, которое проходит носитель за время жизни.

Диффузионная длина и время жизни n_i и p_i связаны соотношением:

;

,

где Ln, Lp-диффузионная длина;

t_n, t_p время жизни;

Dn, Dp - коэффициент диффузии.

Удельная проводимость ПП:

s=1/r=I/E=enm_n=epm_р

где р - удельное сопротивление ПП.

Собственная проводимость при Т=300К ничтожно мала, так как малая концентрация носителей и постоянная при заданной температуре .

Чтобы увеличить электропроводность ПП при заданной температуре надо ввести примесь.

Проводимость, вызванная наличием в кристалле ПП примесей атомов с иной валентностью, называется примесной. Примеси, вызывающие в ПП увеличение свободных электронов называют донорами (это в основном элементы As, Sb, P), а вызывающее увеличение дырок - акцепторами (Al, In, B).

Особенности ПП с электронной проводимостью. Если ввести атом вещества, имеющий пять валентных электронов, то четыре электрона вступают в связь с атомами например, германия, а пятый остается лишним и при Т=300 градусов становится свободным.

Для того чтобы примесная проводимость преобладала над собственной (ni), надо вводить примесь порядка Nд = 10¹⁶см^-3. Такой кристалл с электронной проводимостью обозначают на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 - ПП с электронной проводимостью

Рисунок 5.3 - Электрическая диаграмма и графики Ферми-Дирака для ПП с электронной проводимостью

Атомы примеси отдают энергию уровнями больше чем уровни собственного ПП, поэтому уровни донора расположены вблизи зоны проводимости ПП на уровне ΔWn=0.05эВ. Так как при Т=300 градусов сообщается ΔW=0.026Эв, то все электроны с примесного уровня переходят в зону проводимости ПП. Поэтому кривая распределения Ферми-Дирака и уровень Ферми Wf смещаются вверх, что увеличивает количество свободных электронов в ПП.

Особенности ПП с дырочной проводимостью.

Рисунок 5.4 - Кристалл с акцепторной примесью

Валентные электроны атомов акцепторной примеси расположены на энергетическом уровне, находящегося в непосредственной близости от зоны валентных электронов собственного ПП.

Рисунок 5.5 - Энергетическая диаграмма и графики Ферми-Дирака

Валентные электроны ПП легко переходят на примесные уровни акцептора, следовательно, в валентной зоне ПП появляется большое число дырок. Они будут заполняться другими электронами валентной зоны, на месте которых образуются новые дырки, и т.д. Появляется возможность последовательного смещения электронов в валентной зоне, что обуславливает повышение проводимости. Кривая Ферми-Дирака и уровень Ферми смещаются вниз.

Концентрация дырок в р-типа равна:

 

Pp=Na+Pi=Na

Так как Na >> Pi.

Положение уровня Ферми в ПП. При определении концентрации W_F не учитывали, но для определения закона распределения носителей по энергии необходимо знать W_F.

) В собственном ПП (n = p = n_i)

W_Fi = 0,5 (W_C + W_V) по середине ΔW_З;

) В ПП типа n, где n = n_n = N_д

,

т.к. N_д >> n_i, то в n-ПП уровень W_Fn располагается: выше W_Fi середины зоны, с ↑ N_д ΔW_Fn смещается вверх, в сторону зоны проводимости, но ниже W_C (это справедливо для невырожденных ПП); с ↑ N_д при некотором значении N_д W_Fn окажется на уровне 2kT от W_C, а при дальнейшем ↑ N_д войдет в зону проводимости, и ПП становится вырожденным (Ферми-Дирак).

) В ПП типа р, уровень Ферми определяется:

,

т.к. N_а >> n_i, то W_Fp находится ниже середины ΔW_з.

с ↑ N_а W_Fp приближается к потолку W_V и даже войдет в валентную зону и когда W_Fp окажется ниже W_V + 2kT ПП станет вырожденным;

значения N_д.кр и N_а.кр - когда ПП становится вырожденным.

Вывод:

- положение уровня Ферми в p и n полупроводниках с примесью смещается в сторону зоны, где находятся основные носители;

значение концентрации примеси, при котором положение уровня совпадает с границей зоны - называют критической (рисунок 5.6).

Рисунок 5.6 - Зависимость W_F от примесей

Зависимость положения W_Fi от температуры

1) В чистом ПП положение W_Fi не зависит от Т⁰ К.

) Из формулы W_Fn = W_С - kT lg (N_C/n) видно, что в n-полупроводнике в диапазоне рабочей Т⁰ концентрация электронов от Т⁰ не зависит, из-за «истощения примеси», поэтому уровень Ферми будет смещаться вниз (рисунок 5.7).

) Но при Т>Т_МАХ ПП будет вести себя как собственный, а поэтому положение W_F = W_Fi, т.е. будет по середине запрещенной зоны, и чем меньше концентрация примеси, тем при меньшей Т_МАХ происходит потеря свойств примесного ПП, он становится собственным.

Рисунок 5.7 - Зависимость уровня Ферми от температуры

Аналогичный вывод делается и для ПП с дырочной проводимостью, только смещение W_F будет происходить вверх от зоны W_V.

Описанные процессы зависят от материала, т.е. от ΔW_З. Так как в Ge n_i (на три порядка больше) чем в Si, то при одинаковой концентрации примеси значение Т_МАХ у германия будет ниже. Т_МАХ для Si (125-150⁰С).

Температурная зависимость проводимости ПП. Электропроводность собственного ПП определяется как

s = е (m_n ni+m_p pi).

Для примесного ni - типа и рi- типа:

s=е m_nNq;

s=em_pNa;

полная s_пр = равна сумме.

Зависимость электропроводности от температуры

,

где Wпр - энергия ионизации атомов примеси, т.е энергия необходимая для перехода электронов с примесного уровня в соответствующую зону или уровень.

кривая 1 - ПП легирован донорной примесью; кривая 2 - беспримесный германий

Рисунок 5.8 - Температурная зависимость удельной электропроводности примесного ПП

Участок 1 - при относительно низких температурах, удельная электропроводность примесного ПП определяется примесной составляющей, т.е концентрацией и подвижностью основных носителей. С понижением T⁰ удельная проводимость уменьшается (кривой 1). С увеличением температуры подвижность носителей уменьшается, т.к возрастает число столкновений носителей с атомами (сокращается средняя длина свободного пробега). Поэтому электропроводность снижается (участок 2).

В области положительных температур начинает играть собственная проводимость ПП связанная с генерацией электронов и дырок, что приводит к возрастанию проводимости по экспоненциальному закону (участок 3) и совпадает с такими же изменениями собственного ПП (кривая 2).

ВЫВОД: на участке 2 - электропроводность остается относительно стабильной, поэтому приборы и должны работать в этом интервале температур.

На участке 1 и 2 -электропроводность существенно изменяется, что может привести к нарушению работы прибора.

Понятие вырожденные и невырожденные полупроводники.

Полупроводник с концентрацией  и более называются вырожденными или полуметаллами, так как примесные уровни «расщепляются» и образуют примесную зону, она почти сближается с ближайшей разрешенной зоной ПП, эта зона не полностью заполнена электронами, что соответствует структуре металла.

Невырожденные полупроводники - это полупроводник, с небольшой концентрацией примесей, недостаточной для образования примесных зон и вырождения полупроводника в полуметалле.

5.2 Понятие об электронно-дырочном переходе, типы переходов, токи в p-n-переходе

Электрическим переходом называют переходной слой между областями твердого тела с различными типами электропроводимости (n - полупроводник, p - полупроводник, метала, диэлектрик) или областей с одинаковым типом электропроводности, но с различными значениями удельной проводимости.

Чаще всего используется электрический переход между полупроводниками n и p типа называемый электронно-дырочным переходом или p-n - переходом. Структура идеального p-n - перехода.

Рисунок 5.9 - структура p - n - перехода.

На рисунке 5.9 показано распределение концентрации примесей (Na - акцептор, Nд - донорная).

Удельные Na и Nд не зависят от координаты, поэтому из-за скачкообразного перехода в сечении X₀, переход называется резким и симметричным.

Если Na >> Nд, то переход считается резким и несимметричным.

Образование p-n - переходов. В исходном состояние (до контакта) p и n - полупроводники электрически нейтральны, так как заряд основных носителей в каждом полупроводнике компенсировался зарядов ионов примесей и не основных носителей.

Концентрация основных и не основных носителей в p - области

p_p»Na и n_p=n_i²/Na,

а в n - области

n_n » Nд и p_n=n_i²/Nд.

Поэтому при контакте появляется градиент концентрации дырок p_p и n_n, а значит, произойдет диффузия дырок из приконтактного слоя p в область n, а электронов из n области в p область.

Уход основных носителей приводит к нарушению электрической нейтральности в приконтактных областях в близи плоскости X₀: в p области окажется нескомпенсированный отрицательный заряд неподвижных акцепторных ионов, а в n области нескомпенсированный положительный заряд донорных ионов.

Рисунок 5.10 - Условное изображение p - n - перехода

Носители, перешедшие в другую область, должны рекомбинировать с основными носителями этой области. Уменьшение основных носителей при рекомбинации приводит к нарушению электрической нейтральности и увеличению нескомпенсированных зарядов ионов слева и справа от плоского контакта.

Вывод: вблизи контакта образуется двойной электрический слой, т.е. создается электрическое поле с напряженностью поля Е.

Образовавшиеся поле является тормозящим (создается потенциальный барьер) для диффундирующих через контакт основных носителей каждой области. Но по мере увеличения потенциального барьера, его могут преодолеть только те основные носители, которые имеют достаточную энергию больше, чем высота барьера.

Для неосновных носителей поле будет ускоряющим, а поэтому появится ток дрейфа: электронов из p - области, а дырок из n - области в p - область.

С ростом Е ток диффузии уменьшается, а рост дрейфового тока увеличивается, но при определенном значении Е наступает равновесие. Это равновесное значение встречных потоков соответствует определенной разности потенциалов, которую называют контактной разностью потенциала или диффузионным потенциалом.

В близи плоскости контакта образовалась переходная область, обедненная подвижными носителями заряда, которую назвали p - n - переходом или обедненным слоем.

Так как области до образования контакта были электрически нейтральными, то вся структура после контакта осталась нейтральной. Нейтральным является и обедненный слой, так как заряды êQ_a ê=Q_д

Так как обедненный слой располагается в разных областях, но протяженность слоя в областях обратно пропорциональна концентрации примесей. Если Na>>Nд, то обедненный слой располагается в основном в области с меньшей концентрации примеси, обычно называемый базовой областью (это в данном случае N область). Область с большей концентрацией называют эмиттером.

Энергетическая диаграмма p - n - перехода указана на рисунке 5.3.

Рисунок 5.11 - Энергетическая диаграмма p - n - перехода.

Уровень Ферми W_F не зависит от координаты X₀, он находится в близи зон проводимости и валентной.

Излом этих границ на значение rE_k=ej_k характеризует контактную разность потенциалов, которая является потенциальным барьером только для основных носителей обеих областей. Например, электрон 1, подошедший к границе обедненного слоя, не может перейти из n в p - область, так как его энергия не достаточна для преодоления барьера. А электрон 2 может преодолеть барьер. Аналогично будет и для дырок - основных носителей. Для неосновных носителей поле будет ускоряющим.

Контактную разность потенциалов можно определить:

U_{k p - n}=kT/e * ln *p_p/p_n=kT/e*ln*NaNд/ni²=j_т*ln*NaNд/ni²,

где kT/e - температурный потенциал, обозначается j_т.

U_{k p - n} зависит:

1)      от ширины запретной зоны ПП, при одинаковых концентрациях она больше у ПП с большей шириной;

2)      от концентрации примесей в областях, с увеличением примеси U_{k p - n} возрастает;

)        от температуры ПП, с увеличением температуры U_{k p - n} уменьшается.

Значение толщины запирающего слоя определяют:

,

где e - относительная диэлектрическая проницаемость ПП;

Если переход резко несимметричен Na>>Nд, то

Для симметричного p - n - перехода с линейным распределением примеси N_эф

d=Ö12ee₀ φ_к / e * dN_эф / dx

5.3 Прямо смещенный p-n-переход

Прямое включение если плюс внешнего источника подключен к p - области, а минус источника к n - области. Так как сопротивление p - n - перехода намного больше сопротивления областей, то все напряжения U_пр оказываются приложенным к обедненному слою.

Рисунок 5.12 - Прямое включение p - n - перехода

Силовые линии внешнего поля направлены на встречу силовым линиям внутреннего поля поэтому результирующие напряжение определяется как U=U_{k p - n} -U_пр, т.е. тормозящее действие для основных носителей уменьшается и основные носители начинают инжектировать через переход, приближаясь к p - n - переходу основные носители частично компенсируют объемные пространственные заряды, уменьшая тем самым ширину запирающего слоя и его сопротивления. В цепи возникает ток, при этом диффузионная составляющая через переход увеличивается, а дрейфовая уменьшается.

При ½U_k ½= U_пр толщина p - n - перехода стремится к нулю и при дальнейшем увеличении U_пр запирающий слой исчезает, поэтому основные носители свободно диффундируют в смежные области полупроводников, что нарушает термодинамическое равновесие, а поэтому I_диф » I_пр, так как Iдр » 0.

Процесс переноса носителей через прямосмещенный p - n - переход в область полупроводника, где они становятся неосновными носителями, называется инжекцией.

Неравновесные неосновные носители диффузируют в глубь ПП и нарушают его нейтральность. Восстановление электронейтральности происходит за счет поступления носителей от внешнего источника в замен ушедших к p - n - переходу и исчезнувших в результате рекомбинации, по этому во внешней цепи возникает ток электронов.

Обратное включение p - n - перехода.

Рисунок 5.13 - Включение p - n - перехода в обратном направлении

При обратном включении минус источника подключаются к p - области, а плюс - к n - области. Силовые линии полей совпадают по направлению, а по этому высота потенциального барьера увеличивается.

U=U_nр+U_обр.

Основные носители будут дрейфовать в глубь областей от p - n - перехода. Ширина запирающего слоя увеличится, увеличится его сопротивление, что приводит к уменьшению диффузионной составляющей через переход I_диф → 0.

Для неосновных носителей ускоряющее действие поля увеличится, они захватываются этим полем и переносятся через переход. Этот процесс переноса неосновных носителей через обратно смещенный переход в область ПП, где они становятся основными носителями, называется экстракцией.

I_обр=I_диф-I_т » I_др

Дрейфовый ток, создается неосновными носителями, а их концентрация зависит от температуры, по этому этот ток называется тепловым током. Так как если T⁰=CONST, то количество неосновных носителей постоянно и мало, по этому от V_обр тепловой ток почти не зависит, и его еще называют током насыщения.

Вывод:

1)  при прямом включении p-n-перехода протекает ток, значение которого будет увеличиваться по экспоненциальному закону с повышением U_пр. Значение тока определяется сопротивлением областей (а оно мало), поэтому значение тока может достигать значений: mA, A, кA;

2)      при обратном смещении перехода, тормозящее действие увеличивается, сопротивление перехода возрастает, через переход протекает незначительный обратный ток » Iт;

)        кристалл ПП с p-n-переходом обладает односторонней проводимостью. Широко используется для изготовления ПП диодов, транзисторов и др.;

4) значение обратного тока зависит от типа вещества, из которого делают p - n - переход.

5.4 Вольтамперные характеристики и p-n модель

Модель p-n, ВАХ

Рисунок 5.14 - Эквивалентная схема ПП диода

где R₀ - суммарное сопротивление n и p - областей и контактов (небольшое).

Rнл - нелинейное сопротивление, значение которого зависит от полярности приложенного напряжения. При прямом Rнл = Rпр и мало, а при обратном Rнл = Rобр и велико.

Св - емкость между выводами областей.

Сдиф - диффузионная емкость.

Сб - барьерная емкость.

L - индуктивность, создаваемая выводами от перехода.

p-n - переход при Uобр подобен конденсатору с емкостью С_{барьерная}.

Сб = Qобр/Uобр

Для переменного U

Сб = ∆Qобр/∆Uобр.

В зависимости от площади перехода значение Сб может быть от единиц до сотен пикофарад и подобно нелинейной емкости, т.к. изменяется с изменением Uобр.

Сб вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как она шунтирует p-n - переход и через Сб с повышением частоты протекает ток.

Сдиф проявляется при прямом включении, она также нелинейная и возрастает при увеличении Uпр

Сдиф = Qдиф/Uпр

Сдиф значительно больше барьерной и влияет на коэффициент передачи на нижних частотах.

2 Вольтамперная характеристика

Вольтамперная характеристика реального p-n - перехода при Uвнешнее=0. В реальных условиях в запирающем слое происходит генерация и рекомбинация пар носителей, которые разделяются электрическим полем перехода так, что электроны переходят в n-область, а дырки в р-область, создавая дополнительную составляющую обратного тока, называемую генерационным током Iген. По своей природе он, как и I₀ является тепловым, различие лишь в том, что I₀ создается неосновными носителями, а образовавшиеся пары будут основными носителями. В состоянии равновесия Iген уравновешивается рекомбинационным током Iрек. Некоторые основные носители, вошедшие в обедненный слой, но не имеющие достаточной энергии для преодоления барьера, могут быть захвачены ловушками и рекомбинировать с носителями, приходящими таким же образом из другой области. Рекомбинация в самом переходе означает появление дополнительного тока Iген. В состоянии равновесия Iген = Iрек и ток через p-n - переход равен нулю.

Рисунок 5.15 - Токи через обедненный слой

Что произойдет при включении p-n - перехода в обратном направлении? Потенциальный барьер возрастает и ток основных носителей прекращается, поэтому исчезает рекомбинационный ток, а ток генерации - возрастает, так как расширяется обедненный слой.

При прямом включении произойдет сужение обедненного слоя, поэтому Iген уменьшается, а ток Iрек увеличивается из-за увеличения потока основных носителей через переход.

На рисунке 5.15 штриховой линией показана ВАХ идеализированного p-n - перехода.

I₀ - тепловой ток является важным параметром p-n - перехода. Его значение пропорционально равновесной концентрации неосновных носителей в нейтральных областях.

I₀ - сильно снижается с ростом ширины запрещенной зоны и увеличения концентрации носителей.

Пробой p-n- перехода. Существуют виды электрического пробоя: лавинный, туннельный, тепловой, поверхностный.

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией атомов кристаллической решетки в обедненном слое при обратном включении.

При Uобр ток создается дрейфовым движением неосновных носителей, приходящих из нейтральных областей. Эти носители ускоряются в обедненном слое, приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при соударении с нейтральными атомом ПП произвести их ионизацию, т.е. появляются пары электрон-дырка. Вновь образовавшиеся носители будут ускоряться полем и вызывают дополнительную ионизацию и при определенном значении Uобр = Uпробив процесс становится лавинообразным, что приводит к резкому увеличению обратного тока.

Значение Uобр зависит от ширины запирающего слоя, чем шире, тем Uпробоя больше, так как необходимо сообщить большую энергию носителям.

Uобр зависит от температуры и типа полупроводника. Для p-n - переходов, сделанных на базе кремния Uпробив возрастает с повышением температуры, так как уменьшается длина свободного пробега носителей и для сообщения носителям необходимой энергии требуется большая напряженность.

Туннельный пробой. Возникает, когда напряженность поля в обедненном слое возрастает настолько (Е ≥ В/м), что проявляется туннельный эффект - переход электронов сквозь барьер без изменения энергии. Эффект наблюдается в узких переходах (порядка мкм), а для этого нужна большая концентрация примеси (более ) Туннельный эффект возникает как при прямом так и при обратном включении.

При Uобр возникает эффект за счет перехода валентных электронов из валентной зоны р-области без изменения энергии на свободный уровень в зону проводимости n-области.

С повышением температуры U пробоя уменьшается (отрицательный коэффициент) из-за некоторого уменьшения ширины запрещенной зоны (высоты барьера).

Экспериментально установлено, что при концентрации примеси (менее ) напряжение лавинного пробоя ниже, чем туннельного, т.е. будет лавинный пробой.

Для высоких концентраций (более ) напряжение лавинного пробоя выше, чем туннельного, и происходит туннельный пробой.

При средних концентрациях носителей крутизна ВАХ обратной ветви с туннельным пробоем меньше, чем при лавинном. Пробой объясняется обоими механизмами и механизм преобладания определяется по знаку температурного коэффициента.

Тепловой пробой происходит за счет обратного тока, так как протекая через переход выделяется мощность виде тепла, которая вызывает разогрев p-n - перехода и прилегающих к нему областей ПП и дальнейший рост тока.

Отводимая мощность за счет теплопроводности и последующего рассеяния теплоты в окружающую среду пропорциональна перегреву p-n - перехода.

Ротвода = (Т - Токр)/Rт,

где Т-Токр - разность температур перехода Т и Т окружающей среды

Rт - тепловое сопротивление участка переход - окружающая среда.

После включения, через некоторое время, устанавливается тепловое равновесие - баланс мощностей выделяемой и отводимой.

При нарушении баланса наступает пробой, что приводит к разрушению p-n - перехода, за счет перегрева.

Поверхностный пробой (ток утечки) возникает из-за загрязнений поверхности ПП и наличия поверхностных зарядов между p-n - областями, что приводит образованию токопроводящие пленки и каналы. Iутечки увеличивается с увеличением Uобр и может превысить тепловой ток (I₀) и ток генерации (Iген)

Для уменьшения Iутечки применяют защитные покрытия. От температуры Iутечки зависит слабо.

Зависимость прямого тока диода от материала и площади перехода.

Рисунок 5.16 - Зависимость прямого тока от материала и площади перехода

С увеличением площади (S) прямой ток возрастает, характеристика тока идет круче. Начальный участок прямой ветви ВАХ зависит от материала. Для кремниевых диодов характерен более резкий переход от пологого начального участка к области, где проявляются особенности высокого уровня инжекции. В германиевых диодах омический участок более крутой, так как подвижность носителей в германии значительно выше, чем в кремнии.

Изменение ВАХ при изменении температуры. Обратный ток зависит от материала - у германиевых начальный ток больше, чем у кремниевых, так как у кремниевых ток определяется в основном процессами рекомбинации носителей в переходе, который преобладает над процессами тепловой генерации. С увеличением температуры токи увеличиваются согласно соотношению:

I₀(T) = I₀(T₀)e^αΔTz,

где α_Si = 0,13 K^-1;

α_Ge = 0,09 K^-1;

ΔT = T - T₀, T₀ = 300 K.

Прямая ветвь характеристик сдвигается влево и становится более крутой. Но сдвиг незначительный. Для оценки температурной зависимости прямой ветви используют величину ε - температурный коэффициент напряжения (ТКН). ε = ΔU/ΔT и показывают изменение прямого напряжения (ΔU) за счет изменения ΔТ = 1⁰С, при некотором значении прямого тока. Для германиевых и кремниевых диодов ε = -2 мВ/⁰С.

Рисунок 5.17 - Зависимость токов при изменении температуры

Из графиков видно, что в германиевых диодах с ростом температуры U_обр = U_проб уменьшается, а у кремниевых диодов возрастает. Значение обратного тока возрастает примерно в 2 раза на каждые 10⁰С у диодов сделанных на базе германия. Если изменить температуру с 20⁰С до 70⁰С, то ток обратный возрастает в 32 раза. У кремниевых диодов ток увеличивается примерно в 3 раза.

3. Физические процессы в контактах ПП с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы), металл - ПП

Особенность квантоворазмерных структур: фотопроводимость, фотогальванический эффект, эффект Холла. Контакты ПП - металл. Структура и свойства контактов металл-полупроводник зависят в первую очередь от взаимного расположения уровней Ферми в том и другом слое. На рисунке 5.10 вверху показаны зонные диаграммы разделенных слоев, а внизу - зонные диаграммы соответствующих контактов (после «соприкосновения» слоев и установления равновесия).

а - контакт с полупроводником р-типа; б - контакт с полупроводником n-типа

Рисунок 5.18 - Зонные диаграммы выпрямляющих контактов металла с полупроводником

Выпрямляющие контакты. На рисунке 5.18,а показаны зонные диаграммы для случая, когда φ_Fm > φ_Fp. Такое соотношение означает, что заполненность зоны проводимости в полупроводнике меньше, чем заполненность такого же энергетического участка в металле. Поэтому после «соприкосновения» слоев часть электронов перейдет из металла в полупроводник р-типа. Появление дополнительных электронов в приповерхностном слое полупроводника приводит к усиленной рекомбинации. В результате уменьшается количество основных носителей - дырок, и вблизи границы с металлом «обнажаются» некомпенсированные отрицательные ионы акцепторов. Появляется электрическое поле, которое препятствует дальнейшему притоку электронов и обеспечивает больцмановское равновесие в области контакта. Энергетические уровни оказываются искривленными «вниз».

На рисунке 5.18, б показаны зонные диаграммы для случая φ_Fm < φ_Fn, когда после соприкосновения слоев электроны переходят из полупроводника n-типа в металл. Соответственно вблизи границы с металлом «обнажаются» некомпенсированные положительные ионы доноров, а зоны искривляются «вверх».

Область искривления зон (т.е. область объемных зарядов) в обоих случаях имеет протяженность, обычно до-0,2 мкм.

Контакты такого рода в настоящее время создаются напылением металла на полупроводник в вакууме.

Обмен электронами между металлом и полупроводником обычно характеризуют не разностью «исходных» уровней Ферми, а разностью работ выхода. Работой выхода электрона из твердого тела называют энергию, необходимую для вылета за пределы кристалла (т.е. для термоэмиссии). На зонных диаграммах работа выхода есть энергетическое «расстояние» между уровнем свободного электрона вне твердого тела и уровнем Ферми. На рисунке 5.18 работы выхода из металла и из полупроводника обозначены соответственно через φ_M и φ_S. Разность работ выхода φ_MS = φ_M - φ_S выраженную в вольтах, называют контактной разностью потенциалов.

В зависимости от соотношения работ выхода φ_M и φ_S электроны переходят в тот или иной слой. Если φ_M < φ_S (т.е. φ_MS < 0), то электроны переходят из металла в полупроводник (рисунок 5.18, а), если же φ_M > φ_S (т.е. φ_MS > 0), то электроны переходят из полупроводника в металл (рисунок 5.18, б).

Степень искривления энергетических зон вблизи поверхности (рисунок 5.18) характеризуется величиной равновесного поверхностного потенциала φ_S0. Если пренебречь ролью поверхностных состояний, то величина φ_S0 будет равна контактной разности потенциалов φ_MS.

Оба контакта, показанные на рисунке 5.18, характерны наличием обедненных слоев в приконтактном слое полупроводника. Здесь концентрация основных носителей меньше по сравнению с равновесной, сохранившейся вдали от контакта. Следовательно, такой приконтактный слой обладает повышенным удельным сопротивлением и поэтому определяет сопротивление всей системы.

Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его высота φ_S0 является аналогом величины Δ φ₀ в р-n-переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения потенциал φ_S и соответственно сопротивление приконтактного слоя будут меняться.

Так, если напряжение приложено плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то потенциальный барьер в контакте на рисунок 5.18, а повышается. Тогда приконтактный слой еще больше обедняется основными носителями - дырками и, следовательно, будет иметь повышенное сопротивление по сравнению с равновесным. Значит, напряжение с этой полярностью является для данного контакта обратным. В контакте на рисунке 5.18, б при той же полярности напряжения потенциальный барьер понижается, приконтактный слой обогащается основными носителями - электронами и его сопротивление будет меньше равновесного. Значит, напряжение с этой полярностью является для данного контакта прямым.

Таким образом контакты, показанные на рисунке 5.18, обладают выпрямляющими свойствами и могут быть основой диодов. Диоды, использующие барьеры Шоттки, называют диодами Шоттки.

Вариантом выпрямляющих контактов является контакт, в котором вблизи границы с металлом образуется инверсионный слой, т.е. слой с противоположным типом проводимости.

Зонная диаграмма контакта, содержащего инверсионный р-слой, показана на рисунке 5.19. Этот случай характерен для сильного искривления зон, т.е. для больших контактных разностей потенциалов φ_MS, когда вблизи границы уровень электростатического потенциала пересекает уровень Ферми. Толщина инверсионного слоя, как уже отмечалось, не превышает 1-2 нм.

Рисунок 5.19 - Зонная диаграмма контакта, при котором образуется инверсионный слой

Диоды Шоттки. Важнейшей особенностью диодов Шоттки по сравнению c p-n-переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей. Эти диоды, как говорят, работают на основных носителях. Отсюда следует, что у диодов Шоттки отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе. Отсутствие диффузионной емкости существенно повышает быстродействие диодов при изменениях токов и напряжений, в том числе при переключениях с прямого направления на обратное и с обратного на прямое. Время таких переключений определяется только барьерной емкостью и у диодов с малой площадью может составлять десятые и сотые доли наносекунды. Соответствующие рабочие частоты лежат в пределах 3-15 ГГц.

Не менее важной особенностью диодов Шоттки является значительно меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением на p-n-переходе. Это объясняется тем, что ВАХ у диодов Шоттки описывается, также что и у диодов p-n-переходом, но тепловой ток существенно больше, поскольку диффузионная скорость D/L, характерная для р-n-перехода, у диода Шоттки заменяется на среднюю тепловую скорость носителей υ_T. Последняя превышает величину D/L примерно на 3 порядка. В таком же отношении различаются и тепловые токи. Тогда следует, что прямое напряжение у диодов Шоттки будет примерно на 0,2 В меньше, чем p-n-перехода. Типичным для диодов Шоттки являются прямые напряжения 0,4 В. Что касается обратных токов, то они могут составлять, в зависимости от площади, до 10^-11 - 10^-12 А, т.е. близки к реальным обратным токам кремниевых р-n-переходов, определяемым термогенерацией.

Еще одна особенность диодов Шоттки состоит в том, что их прямая ВАХ строго подчиняется экспоненциальному закону в очень широком диапазоне токов - на протяжении нескольких декад, например, от 10^-12 до 10^-4 А. Отсюда следует возможность использовать в качестве прецизионных логарифмических элементов.

Качественные барьеры Шоттки образуются в кремнии при контакте с: молибденом, золотом, нихромом, платиной, алюминием.

4. Гетеропереходы

Гетеропереходом называется переход, образованный между двумя различными полупроводниками. Если полупроводники имеют одинаковый тип проводимости, то они образуют изотипный гетеропереход. Если тип проводимости полупроводников различный, то получается анизотипный гетеропереход. Применение: в качестве инжекционных лазеров, работающих при комнатной температуре, светодиодов, фотодетекторов, также на их основе созданы сверхрешётки (это многослойные структуры с толщиной 80-100А или с периодическим изменением уровня легирования полупроводника).

Полупроводник с различной шириной запрещённой зоны: германий-кремний, германий-арсенид галлия, арсенид галлия-фосфид галлия и др.

Переходы возможны не только как переходы между полупроводниками p- и n-типа, но также и между полупроводниками с одним типом проводимости: p⁺-p или n⁺-n.

    

Рисунок 5.20 - Энергетические диаграммы исходных полупроводников

На энергетической диаграмме гетеропереходы между полупроводником n-типа с широкой запрещённой зоной и полупроводника p-типа с узкой зоной в переходном состоянии.

За начало отчёта энергии (нуль) принята энергия электрона, находящегося в вакууме. А₁ и А₂ работа выхода электрона от уровня Ферма, а x₁ и x₂ - истинные работы выхода из полупроводника в вакуум, называемые электронным сродством полупроводника (от границы зоны проводимости).

При создании контакта между двумя полупроводниками уровни Ферма совмещаются (выравниваются), что приводит к разрыву в зоне проводимости DW_C и в валентной зоне DW_V (рисунок 5.20 б).

В зоне проводимости величина разрыва обусловлена разностью истинных работ выхода электронов из p- и n-полупроводников DWc = x₁ - x₂, а в валентной зоне кроме этого - ещё и неравенством значений энергии DWv. Поэтому потенциальные барьеры для электронов и дырок будут различными: потенциальный барьер для электронов в зоне проводимости меньше, чем для дырок в валентной зоне.

При подаче прямого напряжения потенциальный барьер для электронов уменьшается, и электроны из n-полупроводника инжектируются в p-полупроводник.

Потенциальный барьер для дырок в p-области также уменьшается, но всё же остаётся достаточно большим, так что инжекция дырок из p-области в n-область практически отсутствует.

Это является важным преимуществом гетеропереходов по отношению к гомопереходам (ранее рассмотренных). В гомопереходах инжекция возникает за счёт разности концентраций основных носителей в областях (Na >> Ng). Во многих приборах эта разница должна быть как можно больше.

Но существует технический предел увеличения примеси в полупроводнике Na, а также приводит к появлению большого числа дефектов, ухудшающих параметры p-n-перехода.

Гетеропереходы позволяют исключить эти недостатки и получить одностороннюю инжекцию носителей даже при одинаковой концентрации примесей в областях, но для этого требуется создавать бездефектные границы областей.

Особенности транзистора на гетеропереходах:

высокая эффективность эмиттера;

уменьшается сопротивление базы;

меньше вытеснение тока эмиттера;

улучшается переходная характеристика из-за высокого коэффициента по току (»350);

расширенный температурный диапазон может работать при высоких температурах (»350) и низких (вплоть до гелиевых (4к)).

5. Люминесценция полупроводников

Под люминесценцией понимают электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Для этого используют ПП с шириной запрещенной зоны (арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния). Для возникновения люминесценции в П необходимо вывести атомы из термодинамического равновесия, т.е. возбудить их. Для этого используют различные способы:

электрическим полем;

бомбардировкой ПП электронами;

освещением.

Излучение квантов света (фотонов) происходит за счет перехода электрона на более низкий энергетический уровень при межзонной рекомбинации с участием рекомбинационных ловушек. Частный случай люминесценции является электролюминесценция. На ее основе работают излучатели, которые преобразуют электрическую энергию в энергию оптического излучения заданного спектра.

6. Фотопроводимость полупроводников

Электропроводность ПП увеличивается под действием электромагнитного излучения. Если энергия фотона равна или больше ширины запрещенной зоны (hf ≥∆Wз), то совершаются переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости, что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). Возникает собственная проводимость ПП.

Если ПП содержит примеси, то фотопроводимость может возникнуть при hf ≤∆Wз. Для ПП с донорной примесью фотон должен обладать энергией hf ≥∆Wд, а с акцепторной - hf ≥∆Wа.

При поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости ПП с n - проводимостью или из валентной зоны на акцепторные примеси, если кристалл p - проводимости.

В результате добавляется примесная фотопроводимость.

Каждый материал ПП характеризуется красной границей фотопроводимости, где максимальную длину волны, при которой возможна фотопроводимость.

λ₀ = ch /∆W - для собственного ПП и приходится на видимую область спектра.

λ₀ = ch /∆Wn - для примесного ПП и приходится на инфракрасную.

Фоторезистивный эффект. Изменение электрической проводимости ПП под действием света. При Ф=0 ПП обладает начальной проводимостью

σ0 = е (ni μ_n + pi μ_p).

Под воздействием света в ПП генерируют избыточные носители и проводимость определяется:

σф = е(∆ni μ_n + ∆pi μ_p)

Полная проводимость:

σ = σ0 + σф

Полупроводниковые Болометры. Предназначен для измерения мощности лучистой энергии, для регистрации распределения энергии в инфракрасных спектрах.

Это термосопротивление состоит из тонких пленок, поверхность которых имеет прямоугольную форму, чувствительность их на порядок выше металлических.

Он состоит из двух пленок, одна из которых работает в качестве приемника энергии излучения, а другая - компенсирует изменения температуры окружающей среды. Он включается в мостовую схему.

Для излучения «дрейфа» механически моделирует измеряемое излучение, а затем усиливает сигнал с частотой модуляции.

Порог чувствительности Вт.

Минимальная мощность, регистрируемая болометром, равна Вт, что соответствует изменению температуры меньше  градуса, при этом выходной сигнал моста меньше 1 мкв.

7. Эффект Холла

В 1879г. американский физик Холл обнаружил явление возникновения ЭДС в пластине полупроводника, эту ЭДС назвали эффектом Холла.

Если пропустить через пластину ПП электрический ток (как показано на рисунке 5.21) по направлению оси Х, а затем создать магнитное поле Н_у перпендикулярное направлению тока, то на противоположных гранях (по оси Z) появиться ЭДС Холла.

Рисунок 5.21 - Схема возникновения ЭДС Холла

В отсутствие магнитного поля электроны двигаются в пластине в направлении электрического поля Е_х. При воздействии Н_у электроны будут отклоняться под действием силы Лоренца:

,

где е - заряд электрона;

В_у - индукция магнитного поля направленная вдоль оси Z;

- скорость электрона в направлении тока;

μ_n - подвижность электронов.

Создаваемая сила F направлена перпендикулярно к направлению магнитного поля и направлению тока. Поэтому электроны будут смещаться перпендикулярно их первоначальному движению. На зажиме А возникает избыток электронов, т.е. отрицательный потенциал относительно зажима Г. Образовавшиеся заряды создают поперечное электрическое поле, которое и назвали полем Холла.

Процесс образования объёмных зарядов у поверхности прекратится лишь тогда, когда напряжённость поля Холла будет полностью компенсировать действие на электроны силы Лоренца:

, откуда

или ,

где d - толщина пластины.

Протекающий через пластину с шириной В и сечении S ток обусловленный действием электрического поля, связан с концентрацией и скоростью электронов соотношением:

,

тогда ,

где  - коэффициент Холла, связывающий поперечную разность потенциалов с индукцией магнитного поля. Значение R_x будет зависеть: от примеси, температуры и материала пластины.

Вывод: ЭДС Холла зависит: от физических свойств материала, от размеров пластины, от плотности тока и магнитного поля.

Применение эффекта Холла в датчиках для:

-        измерения индукции магнитных полей (магнитометр);

-        измерения токов и мощностей;

         измерения неэлектрических;

         измерения подвижности и концентрации носителей в веществе величин (силы, давления, углов перемещений, скорости, ускорения, температуры;

         изготовления магнитодиодов.

Магнитодиоды применяются для изготовления:

-        измерителей магнитных полей (флюксметры) и для определения их направления (компасы);

-        тахометрах, генераторах частоты, микрофоны, микрометры, измерители шероховатости;

         устройствах памяти, модуляции, схемах автоматического регулирования усиления;

         в датчиках электрических сигналов для измерения неэлектрических величин.

Магнитодиоды обладают в 1000 раз большей чувствительностью, чем датчики Холла.

5.5 Эффект поля

полупроводник физический диэлектрик дырочный

Эффектом поля называют изменение концентраций носителей (проводимости) в приповерхностном слое ПП под действием электрического поля. Слой с повышенной концентрацией основных носителей называют обогащенным, а слой с пониженной концентрацией - обедненным. Третий режим - инверсный. Между металлической пластиной и полупроводником, разделенных воздухом (диэлектриком) приложено напряжение U. В этой системе МДП (металл - диэлектрик - полупроводник) протекание тока невозможно. Такая система равновесна и представляет собой своеобразный конденсатор, у которого одна из обкладок полупроводник.

Рисунок 5.22 - Эффект поля в структуре металл-диэлектрик-полупровдник

На этой обкладке будет наведен по значению такой же заряд, как и на металлической. Однако в отличие от металла заряд в полупроводнике не сосредотачивается на поверхности, а распространяется на некоторое расстояние в глубь кристалла.

Электрическое поле, созданное напряжением U, распределяется между диэлектрикам и полупроводником. Поле в диэлектрике Е_Д постоянное (так, как в диэлектрике нет объемных зарядов), а поле в полупроводнике заведомо непостоянное, так как, заряд спадает от поверхности в глубь полупроводника.

Знак заряда в полупроводнике зависит от полярности приложенного напряжения. При отрицательной полярности (рисунок 5.22) наведенный заряд положительный. В дырочном полупроводнике положительный заряд обусловлен дырками, которые притянулись к поверхности, а в электронном полупроводнике - ионами доноров, от которых оттолкнулись электроны, компенсировавшие их заряд. Значит, в первом случае происходит обогащение, а во втором - обеднение приповерхностного слоя основными носителями. При положительной полярности напряжения, наоборот, в электронном полупроводнике происходит обогащение приповерхностного слоя электронами, а в дырочном - обеднение дырками и «обнажение» отрицательных акцепторных ионов.

Протяженность подвижных зарядов в обогащенном слое называют длиной Дебая или дебаевской длиной, а протяженность неподвижных ионных зарядов - глубиной обедненного слоя. L_Di = 14мкм в собственном полупроводнике (кремний). Значение L_D - определяется на расстоянии при котором потенциал уменьшается в е раз, по сравнению с максимальным значением φ_S на поверхности (составляет несколько десятых долей вольта). В примесных полупроводниках L_D<L_Di меньше, чем в собственном и почти не зависит от температуры (L_D = 0,04мкм). Чем больше примеси, тем меньше L_D. Обогащенные и обедненные слои оказываются тем тоньше, чем больше концентрация примеси, а значит, и концентрация основных носителей. Иначе говоря, тонкие слои свойственны низкоомным полупроводникам, а толстые - высокоомным.

Если принять потенциал в объеме полупроводника равным нулю, то потенциал поверхности будет отличен от нуля благодаря наличию зарядов между объемом и поверхностью. Разность потенциалов между поверхностью и объемом называют поверхностным потенциалом и обозначают через φ_s.

Следует заметить, что в отсутствие внешнего напряжения поверхностный потенциал не падает до нуля, а имеет конечную равновесную величину φ_S0. Она обусловлена наличием поверхностных состояний, которые способны захватывать или отдавать электроны на сравнительно длительное время. Еще одним фактором, влияющим на величину φ_S0 является контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником. Внешнее напряжение, необходимое для того, чтобы скомпенсировать равновесный поверхностный потенциал, называется напряжением спрямления зон и обозначается через U_F (от Flat Band - плоские зоны).

Как уже отмечалось, электрическое поле распределяется между диэлектрикам и полупроводником. Поле в диэлектрике возрастает при уменьшении расстояния d. Расстояние d не может быть произвольно малым: при условии d < 10 нм диэлектрик становится проницаемым для подвижных носителей благодаря туннельному эффекту. При этом структура МДП перестает быть аналогом конденсатора: обмен носителями через диэлектрик вызывает протекание тока, а значит, нарушает равновесное состояние. Распределение потенциала в области объемного заряда можно оценить с помощью одномерного уравнения Пуассона:

 (5.1)

где λ - плотность заряда;

ε₀ - электрическая постоянная;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника.

В общем случае плотность заряда в полупроводнике записывается следующим образом:

 (5.2)

где N_Д^* и N_а^* - концентрации ионизированных примесей.

Концентрации свободных носителей, в правой части связаны с величиной электростатического потенциала φ_Е.

Величину поверхностного потенциала можно найти из условия непрерывности электрической индукции на границе полупроводник-диэлектрик:

, (5.3)

где ε_П и ε_Д - относительные диэлектрические проницаемости полупроводника и диэлектрика.

Поле в диэлектрике постоянное, поэтому:

; (5.4)

поле в полупроводнике на границе с диэлектриком определяется функцией φ(х):

 (5.5)

Рисунок 5.23 - Зависимость поверхностного потенциала в собственном полупроводнике от толщины диэлектрика и напряжения на металлическом электроде

Опуская математические выкладки, приведем зависимость φ_S(U) в виде кривых на рисунке 5.23. Из этих кривых видно, что поверхностный потенциал составляет тем большую долю приложенного напряжения, чем тоньше диэлектрик (чем меньше параметр а). При всех реальных значениях толщины диэлектрика и приложенного напряжения поверхностный потенциал не превышает нескольких десятых долей вольта.

Примесный полупроводник. Особенностью эффекта поля в примесных полупроводниках по сравнению с собственными является возможность получения как обогащенных, так и обедненных слоев.

Режим обогащения соответствует такой полярности приложенного напряжения, при которой основные носители притягиваются к поверхности. Меньшее искривление зон обусловлено тем, что примесный полупроводник богат подвижными носителями и потому даже небольшой поверхностный потенциал обеспечивает необходимый заряд вблизи поверхности.

а - режим обогащения; б - режим обеднения; в - образование инверсионного слоя

Рисунок 5.24 - Эффект поля в примесных полупроводниках

При условии φ_S < 2φ_T потенциал в примесном полупроводнике описывается выражением (5.4), но дебаевская длина имеет вид:

 (5.6)

где N - концентрация ионизированной примеси (донорной или акцепторной).

Поскольку N >> n_i, дебаевская длина в примесных полупроводниках гораздо меньше, чем в собственных. Кроме того она практически не зависит от материала. Полагая N = 10¹⁶ см^-3, получаем типичное значение l_D = 0,04 мкм. Как видим, поле проникает в примесные полупроводники на ничтожную глубину.

Если применить формулу к металлам (хотя это не совсем правомерно), то при свойственных им огромных концентрациях свободных носителей 10²²-10²³ см^-3 дебаевская длина l_D лежит в пределах десятых долей нанометра, что соответствует 1-2 межатомным расстояниям. Подобная оценка хорошо иллюстрирует тот известный факт, что заряды в металле всегда сосредоточены на поверхности, внутри металла заряды и электрические поля отсутствуют.

Режим обеднения соответствует такой полярности приложенного напряжения, при которой основные носители отталкиваются от поверхности. В этом случае поверхностный потенциал может иметь гораздо большие значения, чем в режиме обогащения (рис. 5.24,б). Отталкивание основных носителей, как уже отмечалось, приводит к появлению объемного некомпенсированного заряда примесных ионов.

Предположим, что граница обедненного слоя резкая и расположена на расстоянии 1₀ от поверхности. Плотность объемного заряда в обедненном слое примем постоянной и равной qN, где N - концентрация ионизированной примеси. Подставляя значение λ = qN в уравнение Пуассона и используя граничные значения Е (l_Q)= 0 и φ(1₀) = 0, получаем после двукратного интегрирования:

Положив в этом выражении х = 0 и φ(0) = φ_s, найдем протяженность (толщину) обедненного слоя:

 (5.7)

Хотя структура выражений (5.7) и (5.6) одинакова, между ними есть и существенная разница: дебаевская длина зависит только от свойств материала, тогда как толщина объемного заряда зависит еще и от приложенного напряжения, поскольку от него зависит потенциал φ_S (рисунок 5.23). Обычно величина l₀ в несколько раз превышает величину l_D.

С ростом напряжения основные носители продолжают отталкиваться (а обедненный слой расширяться), но одновременно к поверхности притягиваются неосновные носители. Когда нарастающий заряд неосновных носителей превысит заряд оставшихся основных, изменится тип проводимости приповерхностного слоя. Этот случай характеризуют термином инверсия типа проводимости, а слой, образованный неосновными носителями, называют инверсионным слоем (рисунок 5.24, в).

С точки зрения зонной теории образование инверсионного слоя объясняется тем, что вблизи поверхности уровень электростатического потенциала пересекает уровень Ферми. Тем самым на приповерхностном участке уровень Ферми оказывается в той половине запрещенной зоны, которая соответствует преобладанию неосновных носителей. Толщина инверсионного слоя составляет всего 1-2 нм, т.е. 3-4 постоянных решетки. Из рисунке 5.24, в видно, что инверсионный слой образуется при значении поверхностного потенциала -(φ_F - φ_E0). Дальнейшее увеличение внешнего напряжения сопровождается дальнейшим увеличением потенциала φ_S до тех пор, пока уровень Ферми не пересечет границу разрешенной зоны (рисунок 5.24, в - валентной). После этого граничный слой превращается в полуметалл, а потенциал φ_S практически не меняется и сохраняет значение.

В обычных случаях максимальный поверхностный потенциал составляет 0,6-1В.

1 Понятие потенциала. В любом сечении ПП потенциал вычисляется путем деления на заряд электрона термодинамической работы выхода электрона, определенной разностью значений уровня Ферми и уровня вакуума. Эту работу можно представить также как сумму «внутренней» работы, необходимой для перевода электрона с уровня Ферми на дно зоны проводимости и «внешней» работы - для последующего перевода электрона в свободное пространство (вакуум) называемой сродством к электрону.

Изменение потенциала определяется изменением энергии дна зоны проводимости. Таким же точно будет изменение энергии потолка валентной и среднего уровня запрещенной зоны.

Положительное напряжение вызовет увеличения падения напряжения на слое окисла должно также произойти одинаковое увеличение положительного заряда акцепторов в приповерхностной области кремния. Рост заряда акцепторов возможен только вследствие уменьшения количества дырок по сравнению с состоянием равновесия. Таким образом, усиливается обеднение основными носителями, а происходящее нарушение электрической нейтральности характеризуется появлением заряда акцепторных ионов.

С увеличением положительного потенциала увеличивается толщина слоя, где обнаруживается не скомпенсированный дырками заряд ионов акцептора.

Это состояние ПП называется состоянием поверхностного обеднения.

При напряжениях больше, чем пороговое в приповерхностном слое происходит изменение типа электропроводности (инверсия) и называют инверсной областью.

При подаче отрицательного напряжения (минус на металл, плюс на подложке) произойдет ослабление поля в окисле и уменьшение разности потенциалов на нем, так как внешнее поле противоположено по знаку внутреннему полю в состоянии равновесия, что уменьшает заряд на обкладках конденсатора по сравнению с состоянием равновесия.

Если Uвнешнее компенсирует действие разности работ выхода металла и полупроводника, то при этом накопленный в МДП заряд уменьшается до нуля и, следовательно, исчезает электрическое поле в окисле и полупроводнике.

В этом момент структура уже не находится в состоянии равновесия. Полупроводник всюду оказывается электрически нейтральным, т.е. поверхностный потенциал равен нулю.

2 Эффекты в структурах МДП

В трехслойной структуре состоящей: металла М, диэлектрика Д и полупроводника П, то на поверхности полупроводника, за счет воздействия электрического поля, произойдет разделение зарядов. Электроны будут вытесняться эл. полем, вместо них образуются дырки и, таким образом, возникает обогащенный дырками приповерхностный р-слой с повышенной проводимостью (рисунок 5.25 а).

Рисунок 5.25 - Проводимость в поверхностном слое полупроводника

При изменении полярности рисунок 5.25 б, получится поверхностный слой с преобладанием n-проводимости. Слой с повышенной концентрацией (по сравнению с объемом) основных носителей называют обогащенным, а слой с пониженной их концентрацией - обедненным.

Понятие «горячие» электроны. В сильном электрическом поле электроны могут приобретать энергию, значительно превышающую среднюю энергию теплового движения. Такие электроны называют «горячими». Они могут преодолевать потенциальный барьер на границе кремний-окисел и в окисле захватываться ловушками, изменяя заряд окисла.

 

Рисунок 5.26 - Структура

SiO₂ не имеет подвижных носителей, а поэтому перенос электронов из Al не возможен. Границу раздела металл-окисел можно рассматривать как барьер высотой 3,15 эВ, который препятствует переходу электронов из Al в SiO₂.

Аналогично для электронов кремния (подложка) на границе окисел-кремний также образуется барьер » 4,22 эВ.

Таким образом, движение электронов через SiO₂ невозможно. Как же тогда происходит перераспределение зарядов? Чтобы осуществить переход электронов из Al в Si, необходима дополнительная цепь, обладающая большой проводимостью, чем окисел? Цепь возникает при подаче внешнего напряжения. В целом, указанная структура, является конденсатором в равновесном состоянии с зарядами обкладок Q и внутренней разностью потенциалов. Внешнее напряжение между Al и Si выводит структуру из состояния равновесия и изменяет величину заряда на обкладках указанного конденсатора. Так при подаче положительного потенциала на металл происходит перераспределение заряда, как в окисле, так и в полупроводники. В приповерхностном слое происходит изменение тока электропроводимости (инверсия). Состояние ПП называется состоянием инверсии, а приповерхностная область - инверсной областью. Состояние может быть как со слабой инверсией, так и с сильной. Создаются условия для протекания тока.

3. В идеальных МДП-структурах не учитывалось влияние зарядов в окисле и на границе окисел - кремний

Для оценки этого заряда, необходимо оценить порядок концентрации электронов в идеализированной МДП-структуре.

При напряжении, немного превышающем пороговое, в этот момент структура входит в инверсный режим, поверхностная плотность электронов будет того же порядка, что и поверхностная плотность примесных атомов (акцепторов): Na =

Аналогично удельная плотность кремния Nк = . Поэтому удельная плотность атомов примеси только в  раз меньше удельной плотности атом кремния и будет оказывать влияние на процессы в МДП.

Классификация зарядов в окисле:

1) Заряд, захваченный поверхностными ловушками кремния и представляющий собой заряд электронных состояний, которые локализованы на границе раздела Si - SiO₂ и энергетические уровни которых находятся в «глубине» запрещенной зоны ПП. Эти состояния обусловлены избыточными атомами Si, избыточным кислородом или примесными атомами. Основная причина возникновения этих состояний в запрещенной зоне ПП - сама граница (слоя) является нарушением пространственной периодичности. Поверхностное состояние считается донорным, если отдает электрон, оно становится нейтральным или положительно заряженным.

Акцепторным называют поверхностное состояние, которое становится нейтральным или отрицательно заряженным при захватывании электрона.

) Фиксированный заряд окисла расположенный на границе раздела или в непосредственной близости от нее значение этого заряда остается практически постоянно во всей области электрических полей, характерных для МДП.

) Заряд, возникающий при облучении или при инжекции «горячих» электронов в диэлектрик.

Соответствующие ловушки более или менее равномерно распределены в слое окисла.

«Горячие» (высоко электрические электроны) могут попадать в структуру в процессе его изготовления.

В составе излучается могут быть также частицы с высокой энергией и фотоны, которые взаимодействуют на структуру в процессе его эксплуатации.

) Заряд подвижных ионов в окисле, например, ионов натрия или калия, которые могут перемещаться в слое окисла интенсивных термополевых нагрузках в МДП. Ионы натрия и ионы калия легко абсорбируются двуокисью кремния, ионы щелочных металлов достаточно подвижны и могут дрейфовать в окисле даже при небольших приложенных внешних напряжений, при этом с ростом Т их подвижность увеличивается так как ионы металлов несут положительный заряд, то отрицательное U на затворе заставляет эти ионы перемещаться к границе металл - окисел, где, как установлено, они не оказывают влияния на напряжения плоских зон. Однако при подаче положительного U эти ионы могут мигрировать к границе окисел - кремний, где их влияние максимально.

ЛИТЕРАТУРА

1 Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высшая школа, 2005

Бобриков Л.З. Электроника. - СПб.: Питер, 2004

Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. - М.: Л. БЗ, 2004

Ткаченко Р.А. Техническая электроника - М.: Дизайн ПРО, 2002

Бобровский Ю.А. и др. Электронные квантовые приборы и микроэлектроника. - М.: Радио и связь, 1998