Полимеризационные синтетические полимеры

Электроизоляционные пластмассы

Пластические массы (пластмассы) объединяют группу твердых или упругих материалов, которые состоят полностью или частично из полимерных соединений и формуются в изделия методами, основанными на использовании их пластических деформаций.

Пластмассы получают на основе различных натуральных и искусственных смол, они успешно заменяют металлы, фарфор, каучук, стекло, шелк, кожу и др.

Они обладают следующими характеристиками: сравнительно высокие механические свойства, достаточные для изготовления изделий, которые не подвергаются значительным динамическим нагрузкам; хорошие электроизоляционные свойства, что позволяет использовать их в качестве диэлектриков; высокая стойкость к коррозии; высокая химическая стойкость; низкая гигроскопичность; легкость (плотность пластмасс обычно составляет 900..1800 ); широкий диапазон коэффициентов трения и высокое сопротивление истиранию; хорошие оптические свойства и прозрачность.

Пленочные электроизоляционные материалы.

Пленочными считаются материалы, у которых толщина значительно меньше длины.

Пленки представляют собой ценный диэлектрический материал благодаря повышенной электрической прочности и малой толщине. Во многих случаях существенное значение имеет высокая влагостойкость.

Электроизоляционные материалы на основе каучука

Полимеры, которые при нормальной температуре подвержены большим обратимым деформациям растяжения (до многих сотен процентов), называются эластомерами. Эластомерами являются все каучуки и резины. На основе каучука получают также твердые резины, которые имеет относительное удлинение на разрыв всего несколько процентов (2…6%). Такими являются пластмассы на основе каучука.

Каучуки бывают натуральные и искусственные (синтетические). Натуральный каучук (НК) получают из млечного сока (латекса) тропических растений гевеи, каучуконосных кустарников коксагыз и др.

Резина. Технологический процесс получения резиновых изделий состоит из приготовления сырой резины, изготовления полуфабрикатов или изделий из сырой резины, вулканизации изделий.

Пластмассы на основе каучука. К основным пластмассам на основе каучука относят эбонит, эскапон, асбодин, хлоркаучук, и изомеризованный каучук.

Эбонит – твердая резина, которую получают при вулканизации натурального каучука, синтетического бутадиенового каучука или синтетического бутадиенового каучука, в который добавляют 25…30% серы и наполнители (эбонитовую пыль, тальк и др.).

Эскапон - прозрачная, стеклообразная масса, которую получают полимеризацией синтетического бутадиенового каучука при повышенном давлении и высокой температуре.

Хлоркаучук представляет собой хлорированный натуральный каучук с содержанием хлора не менее 64,5%.

Изомеризованный каучук получают при обработке каучука в присутствии кислого катализатора - серной кислоты

Лаки и эмали

Лаки - это коллоидные растворы пленкообразующих веществ в соответствующих летучих растворителях.

Эмали представляют собой разновидность покрывных лаков, в состав которых вводится неорганический наполнитель- пигмент.

Компаунды

Компаунды - механические смеси из электроизоляционных материалов, не содержащие растворителей.

По сравнению с лаками компаунды обеспечивают лучшую влагостойкость и влагонепроницаемость изоляции, так как при охлаждении после пропитки полностью затвердевают без следов испаряющегося растворителя; повышение мощности аппарата за счет лучших условий отвода тепла. В исходном состоянии компаунды могут быть как жидкими так и твердыми.

Флюсы

Флюс — вещества (чаще смесь) органического и неорганического происхождения, предназначенные для удаления оксидов с поверхности под пайку, снижения поверхностного натяжения, улучшения растекания жидкого припоя и/или защиты от действия окружающей среды.

Флюсы являются вспомогательными материалами при получении качественной и надежной пайки.

Лекция 6. Твердые неорганические диэлектрики

Стекло

Стекла - твердые неорганические аморфные вещества, представляющие собой сложные системы различных оксидов, атомы которых не могут свободно перемещаться относительно друг друга. Иногда такое состояние вещества называется стекловидным.

По положению в структуре стекла и по роли в процессе стеклообразования оксиды делят на оксиды-стеклообразователи, оксиды- модификаторы, промежуточные оксиды.

Оксиды-стеклообразователи способны образовывать стекло в чистом виде. К таким оксидам относятся: и др. По названию стеклообразующих оксидов иногда именуют и сами стекла. Например, стекла на основе оксида , называются силикатными.

Оксиды-модификаторы вводят в состав стекол по технологическим причинам, например для повышения вязкости, улучшения обрабатываемости, снижения температуры варки и др. К ним относят щелочные оксиды щелочно- земельные оксиды

Промежуточные оксиды не образуют стекол, но могут придавать им различные свойства. Например, некоторые добавки придают стеклу определенную окраску: - синюю, - желтую, - зеленую, что используется при получении цветных стекол и глазурей. Благодаря содержанию примеси оксидов железа большинство технических стекол сильно поглощают ультрафиолетовые лучи.

Ситаллы

Ситаллы ("ситалл" - сокращение от слов силикат и кристалл)- продукт частичной кристаллизации стекломассы, в которую кроме обычных оксидов вводят тонкодисперсные примеси, служащие для образования центров кристаллизации. В различные марки ситаллов входят окислы: кремния от 30 до 90%, титана от 10 до 20%, бора от 15 до 30 %, алюминия от 12 до 28%, магния от 5 до 20%, калия от 2 до 4%, лития от 5 до 10%.

В качестве стимуляторов кристаллизации применяют оксид титана , серное железо фториды и фосфаты некоторых металлов и другие вещества. От стекло сеталлы отличаются несколько иным химическим составом и строением и занимают промежуточное место между стеклами и керамикой.

Керамика

Керамика - твердый плотный материал, который получают спеканием неорганических солей с минералами и оксидами металлов. В качестве исходных материалов используют непластичные кристаллообразующие компоненты и пластичные компоненты.

К кристаллообразующим компонентам относят неорганические соли (хлористый алюминий, хлористое железо, хлористый магний и др.), минералы (кварц, глинозем, тальк), а также карбонаты.

К пластичным компонентам относят различные глинистые материалы. Глина является необходимым компонентом при изготовлении большинства изделий из керамики. Общее название всех видов изделий из обожженной глины происходит от греческого слова "keramos" - глина.

Сегнетодиэлектрики

Сегнетодиэлектриками называются материалы, которые обла­дают спонтанной (самопроизвольной) поляризацией в определен­ном интервале температур.

Спонтанная поляризация - это поляризация, которая возникает в диэлектрике под влиянием внутренних процессов, без внешних воздействий. Это явление связано с особенностями сегнетодиэлектриков.

Пьезоэлектрики

Пьезоэлектриками называют твердые, анизотропные кристалли­ческие вещества, обладающие пьезоэффектом.

Явление образования электрического заряда на поверхности соответствующих граней диэлектрика (поляризации) при его дефор­мации под действием механических напряжений называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Электреты

Электретами называются диэлектрики, которые длительное вре­мя создают в окружающем пространстве электрическое поле за счет предварительной электризации или поляризации.

В зависимости от способа формирования заряда различают:

1)Электроэлектреты получают воздействием на диэлектрик только электрического поля при комнатной температуре. Свобод­ные носители зарядов (ионы и электроны), ускоренные электричес­ким полем, бомбардируют поверхность диэлектрика в промежутке между диэлектриком и электродом (рис. 5.10, а) и создают тем са­мым заряженный поверхностный слой.

2)Термоэлектреты получают при охлаждении нагретого или расплавленного диэлектрика в сильном электрическом поле. Пос­ле охлаждения подвижность полярных молекул или свободных за­рядов резко уменьшается и диэлектрик может сохранять остаточ­ную поляризацию длительное время (рис. 5.10, б)

3) Фотоэлектреты получают при совместном действии элек­трического поля и световой энергии на материалы, обладающие фо­топроводностью. После прекращения воздействия световой энер­гии носители разноименных зарядов оказываются «замороженны­ми» у противоположных сторон диэлектрика, который превраща­ется в электрет (рис. 5.10, в).

При условии хранения в темноте фотоэлектрики могут удержи­вать заряды от нескольких суток до нескольких месяцев.

4) Радиоэлектреты получают при воздействии на диэлектрик радиоактивного излучения (ускоренных заряженных частиц). В ре­зультате ударной ионизации поверхностного слоя или внедрения в поверхностный слой диэлектрика ускоренных заряженных частиц на поверхности диэлектрика образуется заряженный слой (рис. 5.10, г).

5) Трибоэлектреты получают при трении двух диэлектриков. При плотном контакте двух диэлектриков электроны диэлектрика с меньшей работой выхода переходят в диэлектрик с большей ра­ботой выхода (рис. 5.10, d).

С течением времени заряд электрета изменяется, что связано с разрушением остаточной поляризации. Время, в течение которого значение стабилизированного заряда уменьшается в 2,72 раза, на­зывают временем жизни электрета. Оно может равняться десят­кам лет, а для хороших электретов - сотням лет.

В качестве электретов могут использоваться органические и не­органические материалы. Электреты из органических материалов условно делят на элект­реты, полученные из природных материалов, и электреты из синте­тических материалов.

Электролитические материалы

Для эффективного использования оптического излучения лазе­ров и других генераторов света необходимо управлять этим излу­чением. Для изменения основных параметров излучения (амплиту­ды, частоты, фазы, вектора поляризации и управления световым лучом) используют специальные устройства - модуляторы' лазер­ного излучения, которые изготавливают из материалов, обладаю­щих электрооптическим эффектом.

Электрооптический эффект заключается в изменении показате­лей преломления диэлектрика под воздействием электрического поля. Зависимость показателей преломления от напряженности электрического ноля может быть линейной и квадратичной. Сле­довательно, электрооптические материалы подразделяются на ма­териалы с линейным электрооптическим эффектом и с квадратич­ным электрооптическим эффектом.

Лекция 9, 10, 11, 12, 13. Проводники

Классификация:

по агрегатному состоянию:

- газообразные - все газы и пары, в том числе пары металлов;

При достаточно малых значениях напряженности электрического поля они являются диэлектриками и обладают высоким удельным электрическим сопротивлением. Но при напряженности электрического поля, которое обеспечивает начало ионизации, газ может стать проводником, в котором перенос электрических зарядов осуществляется электронами и ионами. Если в единице объема сильно ионизированного газа наступает равенство между числом электронов и положительных ионов, то такой газ представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.

Проводимость газов и паров используют в газоразрядных приборах.

- жидкие - расплавы металлов и растворы (в частности, водные) и расплавы солей, кислот и других веществ с ионным строением молекул.

Механизм прохождения электрического тока через твердые и жидкие металлы обусловлен направленным движением свободных электронов под воздействием электрического тока, который созда­ется приложенным извне напряжением. Поэтому твердые и жидкие металлы называют проводниками с электронной (металлической) электропроводностью или проводниками первого рода.

Растворы и расплавы солей, кислот и щелочей, проводящие элек­трический ток, называют электролитами или проводниками вто­рого рода. При прохождении электрического тока через электро­лит, в который погружены электроды, электрические заряды пере­носятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита. На элек­тродах происходит выделение веществ из раствора. Большинство металлов имеют высокую температуру плавления. Толь­ко ртуть и некоторые специальные сплавы (например, сплавы сис­темы индий-галий) могут быть использованы в качестве жидких проводников при нормальной температуре.

Электролиты используют в технологии изготовления различных элементов радиоэлектронных устройств.

К твердым проводникам относят металлы и сплавы.

В твердом состоянии металлы имеют кристал­лическую структуру, для которой характерен особый вид металли­ческой связи между атомами. При прохождении электрического тока через контакт различных металлов не происходит переноса веще­ства одного металла в другой, как это имеет место при прохожде­нии тока в электролитах, поскольку перенос электрических заря­дов осуществляется только электронами.

по характеру применения в радиоэлектронных приборах металлические материалы разделяют на материалы высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление р<0,1 мкОмм) и материалы с высоким сопротивлением.

Материалы с высокой проводимостью (железо, медь, алюминий, золото, серебро и др.) используют как основу в контактных мате­риалах и припоях, для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих де­талей.

Материалы с высоким сопротивлением используют в качестве резистивных материалов и материалов для термопар. Наиболее известные сплавы с высоким сопротивлением: медно-марганцевые (манганины), медно-никелевые (константаны), сплавы железа, ни­келя и хрома (нихромы).

Материалы, обладающие ничтожно малым удельным электри­ческим сопротивлением при очень низких температурах называ­ются сверхпроводниками. Свойством сверхпроводимости обладают ртуть, алюминий, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном и др.

Различного применения

Проводниковые материалы и сплавы различного применения используются в качестве специальных проводниковых материалов с особыми свойствами, например магнитными, или материалов, обладающих высокой тугоплавкостью или химической стойкостью.

1. Благородные металлы

Группу благородных металлов (серебро, платина, палладий, зо­лото) составляют металлы, обладающие наибольшей химической стойкостью к условиям окружающей среды и действию агрессив­ных сред (кислот, щелочей).

2. Тугоплавкие металлы

К тугоплавким относят металлы с температурой плавления бо­лее 1700°С. Эти металлы, как правило, химически устойчивы при низких температурах, но при повышенных температурах активно взаимодействуют с атмосферой. Поэтому изделия из них эксплуа­тируют в вакууме или среде инертных газов (аргон Аг, азот N, и др.). Механическая обработка тугоплавких металлов затруднена из- за их повышенной твердости и хрупкости.

3. Ртуть Hg

Ртуть - единственной чистый металл, который при нормальной температуре находится в жидком состоянии. Применяют в газоразрядных приборах, где используется ионизация паров ртути; в ртутных выпрямителях; для контактов в приборах автоматического включения (реле и др.).

4. Галлий Ga

Галлий - металл, который плавится почти при комнатной тем­пературе.

Применяют галлий в полупроводниковой технике в качестве ле­гирующей примеси для германия, он входит в состав низкотемпе­ратурных припоев. Сплавы индия с галлием с температурой плав­ления ниже комнатной используют как жидкие проводниковые ма­териалы для нанесения электродов на различные диэлектрические и полупроводниковые материалы, а также в качестве жидкого кон­такта в установках шовной контактной сварки при герметизации корпусов микросхем.

5. Индий In

Индий - серебристо-белый металл с низкой температурой плав­ления.

Используется в качестве акцепторной примеси и контактного материала в производстве транзисторов и полупроводниковых при­боров, а также входит в состав низкотемпературных припоев и жид­ких токопроводящих контактов (например, в установках шовной контактной роликовой сварки).

6. Олово Sn

Олово - серебристо-белый металл, имеет ярко выраженное круп­нокристаллическое строение. Он обладает следующими свойствами:

Олово является мягким, тягучим металлом, из которого в резуль­тате прокатки получают тонкую фольгу. Для облегчения прокатки и улучшения механической прочности в олово вводят присадки (до 15% свинца и до 1 % сурьмы). Тонкую оловянную фольгу (6...8 мкм) с присадками применяют в производстве некоторых типов конден­саторов. Оловянно-свинцовую фольгу толщиной 20...40 мкм приме­няют в качестве обкладок в слюдяных конденсаторах.

7. Кадмий Cd

Кадмий - серебристо-белый металл, являющийся постоянным составным элементом цинка в его рудах и добываемый как побоч­ный продукт при получении цинка. Как и цинк, кадмий подверга­ется электролитической очистке. Наиболее чистый металл содер­жит 99,997% кадмия. Он входит в состав ряда припоев и бронз.

Применяется для изготовления фотоэлементов, покрытий СВЧ волноводов вместо серебра, гальванических элементов, а также в атомных реакторах в качестве замедлителя.

8. Свинец Рb

Свинец - мягкий металл сероватого цвета с высоким удельным электрическим сопротивлением и крупнокристаллическим строением. Его кристаллы становятся видны при протирании азотной кислотой даже невооруженным глазом. Он обладает следующими свойствами:

Благодаря высокой коррозионной стойкости свинец в больших количествах применяют для изготовления кабельных оболочек, за­щищающих кабель от влаги. Его используют также для изготовле­ния плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов и как материал, поглощающий рентгеновские лучи.

9. Цинк Zn

Цинк - пластичный металл светлого цвета, который обладает следующими свойствами:

Цинк применяют в качестве защитного покрытия для других металлов (например, железа), в фотоэлементах, а также для метал­лизации бумаги в металлобумажных конденсаторах. Нанесение металлического слоя на бумагу производят в процессе испарения цинка в вакууме при температуре примерно 600°С.

Припои

Кроме подвижных контактов в радиоэлектронной аппаратуре широко используются и неподвижные контакты, основными из ко­торых являются пайка, сварка и соединение контактолами.

Пайку применяют не только для получения постоянного элект­рического контакта с малым переходным сопротивлением и хоро­шей механической прочностью, но и для получения вакуумплотных швов.

Пайкой называется процесс получения неразъемных соедине­ний с помощью специальных сплавов или металлов, температура плавления которых ниже температур плавления соединяемых де­талей.

Специальные сплавы, применяемые при пайке, называют припо­ями.

Металлокерамика

Металлокерамические или порошковые сплавы получают из ме­таллических порошков методом их прессования и последующего спекания при температуре ниже температуры плавления исходных материалов или с частичным расплавлением наиболее тугоплавкой составляющей смеси.

Основным сырьем для получения металлокерамических изделий являются порошки вольфрама, титана, кобальта, марганца, хрома, железа, меди, олова, алюминия, ферросплавов и других металлов и сплавов.

Материалы и изделия, полученные методами порошковой ме­таллургии, обладают жаропрочностью, износостойкостью, стабиль­ными магнитными свойствами, механическими свойствами, кото­рые незначительно уступают механическим свойствам литых и ко­ванных заготовок.

 

Проводниковые изделия

Для передачи и распределения электрической энергии, соединения различных приборов и их частей, изготовления обмоток электрических машин применяют:

- обмоточные провода:

Обмоточные провода применяют для изготовления обмоток электрических машин, аппаратов и приборов, в качестве проводниковых материалов используют медь и алюминий с эмалевой, волокнистой, пленочной и эмалево-волокнистой изоляцией.

Эмалированные провода - имеют наименьшую толщину изоляции (0,007-0,065 мм) (при использовании в электрических машинах можно увеличить мощность за счет большего числа витков в объеме обмотки), которая наносится в виде гибкого лакового покрытия, для увеличения прочности покрытия основой для эмали служат поливинилацеталеновая, полиэфирная и полиуретановая смолы. Для уменьшения точечных повреждений, возникающих на изоляционном покрытии вследствие наличия заусенцев на проволоке, ее пропитывают электроизоляционным лаком. Основные характеристики проводов: эластичность (определяют по отсутствию растрескивания эмали после испытания на растяжение), нагревостойкость (определяют в результате старения образцов эмалированного провода), электрическая прочность (определяется пробивным напряжение).

Обмоточные провода с волокнистой изоляцией (0,05-0,17мм) - изоляцию изготавливают из: хлопчатобумажных, шелковых, капроновых, асбестовых, лавсановых и стеклянных волокон. Повышение нагревостойкости обеспечивают применением стеклянной и асбестовой пряжи, подклеиваемой к поверхности провода с помощью глифталиевых и кремнийорганических лаков.

Провода с пленочной изоляцией применяют для изготовления обмоток трансформаторов (изоляция - бумажная лента или бумажная лента покрытая хлопчатобумажной или капроновой пряжей, пропитанные минеральным маслом).

Провода с эмалево-волокнистой изоляцией - на слой эмали наносят обмотку из хлопчатобумажной, шелковой, капроновой, лавсановой (повышает прочность) или стеклянной (повышает нагревостойкость) пряжи. Применяют для изготовления тяговых, шахтных электродвигателей, электрических машин и аппаратов, которые эксплуатируются в более тяжелых условиях и требуют защиты эмалевой изоляции.

- монтажные провода:

Состоят из медных или алюминиевых жил, покрытых изоляционной резиной, полихлорвиниловым пластикатом, хлопчатобумажной, шелковой или капроновой пряжей, синтетической пленкой. Многопроволочные провода, состоящие из нескольких тонких проволок имеют хорошую гибкость. Провода с лужеными медными жилами облегчают их пайку. Провода с резиновой и полихлорвиниловой изоляцией используют в электрических устройствах и аппаратах с напряжением до 380В переменного тока и до 500В постоянного тока. Оболочки монтажных проводов окрашивают в разные цвета (для распознавания). Технологический процесс монтажа электрических соединений с применением данных проводов состоит из их подготовки к монтажу (нарезка проводов необходимой длины, зачистка концов и закрепление изоляции на конце провода), механического закрепления, пайки мест соединения (сварки, накрутки), контроля правильности монтажа.

- установочные провода и шнуры:

Предназначены для распределения электрической энергии, присоединения электродвигателей, светильников и других потребителей тока сети. Токопроводящие жилы - из медной и алюминиевой проволоки. Для гибкости делают многожильными.

Провода. Изоляция - электроизоляционная резина, полихлорвиниловый пластикат (обеспечивает высокую водостойкость, маслостойкость, негорючесть), покрытые защитной оплеткой из хлопчатобумажной или шелковой пряжи, стальных оцинкованных проволочек (изоляция может отсутствовать). Оплетку иногда пропитывают противогнилостным составом. Установочные провода выпускают одно-, двух-, трех- и многожильными.

Шнуры. Выпускают двухжильными (две изолированные, проложенные параллельно и свитые друг с другом жилы). Могут быть с изоляционной оболочкой. Применяют для подключения бытовых приборов, мощных электроприборов.

- кабели:

Силовые кабели применяют для передачи и распределения электрической энергии. Токопроводящие жилы: мягкая медная проволока, алюминиевая мягкая или твердая проволока. Бывают:однопроволочные (при сечении до 16 мм²),многопроволочные (при сечении большем или равным 25мм²); одножильные (круглого сечения ), двухжильные (круглого и сегментного сечения), трех- и четырехжильные (секторного сечения ).

Силовой кабель с резиновой изоляцией в свинцовой оболочке, небронированный:

1 - свинцовая оболочка; 2 - поясная изоляция; 3 - покрытие (обмотка) из прорезиненной ленты; 4 - изоляция из вулканизированной резины; 5 - медная многопроволочная жила; 6 - междуфазное заполнение.

Силовой кабель с резиновой изоляцией жил в оболочке из полихлорвинилового пластиката:

 

1- однопроволочные жилы; 2 - изоляция жил из вулканизированной резины; 3 - оболочка из полихлорвинилового пластиката.

Свинцовый кабель с бумажной изоляцией жил в свинцовой оболочке, бронированный:

1- верхний защитный покров из грубой пропитанной пряжи; 2- броневой покров из стальных лент; 3 - защитный покров (нижняя подушка); 4 - свинцовая оболочка; 5 - поясная изоляция; 6 - междуфазное заполнение; 7 - бумажная пропитанная изоляция; 8 - медные многопроволочные жилы.

Лекция 14, 15. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Обладают проводимостью, которой можно управлять, изменяя напряжение, температуру, освещенность и другие факторы (занимают промежуточное состояние между проводниками и диэлектриками). При уменьшении температуры удельная электрическая проводимость полупроводников уменьшается, а при приближении к 0К полупроводники прекращают проводить электрический ток и становятся диэлектриками. При повышении температуры удельная электрическая проводимость полупроводников резко увеличивается.(Поведение полупроводника зависит от его внутренней структуры, проводимость связана с появлением свободных зарядов, образующихся благодаря воздействию внешней энергии (тепловая, механическая нагрузка, облучение ядерными частицами, электрическое и магнитное поля и т.д.). Носители заряда появившиеся под действием тепла называются равновесными. Неравновесные носители заряда образуются при воздействии на проводник других видов энергии.

Электропроводность полупроводника зависит от количества введенных примесей и от вида элемента.

Полупроводники могут преобразовывать электрическую энергию в тепловую, световую или механическую.

Свойства полупроводников

характеризуются показателями:

- собственная и примесная проводимость:

Собственная проводимость. На примере кремния: в кристаллической решетке каждый атом расположен в узле и окружен четырьмя другими атомами, связан с ними ковалентной связью, при которой каждый внешний электрон принадлежит одновременно двум атомам, в результате чего внешние оболочки атомов содержат по восемь электронов, которые участвуют в образовании ковалентных связей, свободные носители, создающие электропроводность отсутствуют. При сообщении электрону дополнительной энергии он превращается в свободный носитель заряда, происходит разрыв ковалентной связи и электрон начинает хаотически двигаться по объему полупроводника. На месте оторвавшегося электрона образуется положительный заряд называемый дыркой, которая также совершает хаотическое движение, связанное с тем, что за счет энергии тепловых колебаний решетки электрон соседней ковалентной связи может заполнить свободную ковалентную связь в атоме с дыркой.Проводимость полупроводника, возникающая в результате разрыва собственных ковалентных связей и состоящая изэлектронной и дырочной электропроводности называется собственной.

Примесная проводимость. Обусловлена несовершенством кристаллической структуры полупроводника.

Электронная

Дефекты вызывают образование дополнительных энергетических уровней внутри запретной зоны. В результате для перехода с дополнительного уровня в зону проводимости или из валентной зоны на дополнительный уровень требуется энергия, при сообщении которой появляется дополнительный электрон проводимости при переходе электрона с дополнительного энергетического уровня в зону проводимости и дополнительная дырка проводимости при переходе электрона с валентной зоны на дополнительный энергетический уровень. Пример: при внесении в кристаллическую решетку кремния примеси, например фосфора, четыре из пяти валентных электронов фосфора будут участвовать в формировании ковалентных связей с соседними атомами основного элемента кремния. Пятый валентный электрон фосфора связан только со своим атомом, и прочность этой связи много меньше прочности ковалентной связи. Для перехода этого электрона на дополнительный энергетический уровень требуется много меньше энергии. Оторвавшийся от атома фосфора пятый электрон превращается в электрон проводимости. На месте оторвавшегося электрона образуется дырка, которую не могут заполнить электроны других атомов фосфора, так как концентрация его в кремнии очень мала и атомы расположены далеко друг от друга. Следовательно, дырка останется неподвижной и в полупроводнике будет только электронная проводимость.Полупроводники с преобладанием электронной электропроводности называют электронными или n-типа. Электроны в полупроводнике n-типа называют основными носителями заряда, а дырки - неосновными. Дефекты вызывающие появление в полупроводнике дополнительных свободных электронов, называют донорами. обусловленную донорной примесью проводимость называют электронной.

Донорная

Пример: при введении в кристалл кремния примеси, например бора, все три валентных электрона бора участвуют в образовании ковалентных связей с кремнием. А одна связь кремния остается незаполненной, ее можно заполнить электроном соседнего атома кремния, образовав четвертую ковалентную связь с примесным атомом бора, для чего также необходимо меньше энергии. Приняв дополнительный электрон, атом бора ионизируется и становится отрицательным ионом, а одна из четырех связей соседнего атома кремния остается незавершенной - образуется дырка. Которая может быть заполнена электроном соседнего атома, образуя новую дырку и т.д., электропроводность носит дырочный характер. Дефекты, вызывающие появление дополнительных дырок проводимости называют акцепторными, электропроводность, обусловленную акцепторной примесью - дырочной. Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называют донорными или р-типа. Основные носители заряда - дырки, неосновные - электроны.

 

донорная акцепторная

 

Введение примесей в полупроводник приводит к появлению примесной электропроводности, возникающей в результате ионизации атомов примесей. (Примесная электропроводность образуется благодаря наличию носителей заряда только одного знака).

Легирование - процесс контролируемого введения в полупроводник необходимого количества примесей.

Примеси внедрения - внедряют между узлами кристаллической решетки.

Примеси замещения - атом примеси замещает атом полупроводника.

Аморфные примеси - атомы примесей как замещают атомы полупроводника, так и внедряются в междоузлие.

Нейтральные примеси - примеси, не оказывающие влияние на электропроводность полупроводников.

- электропроводность:

Удельная электрическая проводимость определяется концентрацией свободных носителей заряда и их подвижностью. Подвижность зависит от эффективной массы носителей заряда, скорости и частоты столкновения с узлами кристаллической решетки, дефектами решетки. На характер зависимости электропроводности от температуры влияет концентрация зарядов. При комнатной температуре концентрация примесных носителей заряда преобладает над собственной, рост температуры приводит к истощению примеси, валентные электроны переходят в зону проводимости и рост проводимости прекращается. Проводимость не меняется до тех пор, пока температура не повысится до такой величины, которая вызовет переход собственных электронов в зону проводимости, что приводит к повышению концентрации зарядов за счет собственных электронов. При высоких температурах полупроводники по проводимости приближаются к проводникам.

При большой концентрации примесей (выраженный примесный полупроводник) зона дополнительных энергетических уровней сливается с зоной проводимости и уже при комнатной температуре все валентные электроны примеси находятся в зоне проводимости, являясь носителями зарядов, и их концентрация не зависит от температуры.

Повышение проводимости с ростом температуры используют для создания полупроводниковых первичных преобразователей температуры - термисторов.

- оптические и фотооптические явления:

При прохождении света через полупроводник частицы света (фотоны) частично отражаются, а частично поглощаются электронами и атомами кристаллической решетки. Степень поглощения электромагнитной энергии характеризуют коэффициентом поглощения. Поглотив фотон, электрон переходит на более высокий энергетический уровень. Для перехода в зону проводимости электрону необходимо поглотить фотон, энергия которого достаточна для преодоления запретной зоны. Максимальная длина волны поглощаемая полупроводником – длинноволновая или красная граница. Ширина запретной зоны различных полупроводников лежит в промежутке 0,1-3 эВ, следовательно пороговая длина поглощаемого света может находиться в различных частях спектра: инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой.

Прямой переход – электромагнитной энергии фотона достаточно для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости.

Непрямой переход – необходима дополнительная энергия, которую электрон получает за счет тепловых колебаний.

Поглощение света приводит к появлению в полупроводнике неравновесных носителей заряда при неизменной температуре, приводя к повышению проводимости.

С увеличением интенсивности облучения растет число свободных носителей заряда.

Зависимость электропроводности от освещения используют для создания фоточувствительных приборов.

Процесс воздействия света на полупроводник имеет обратимый характер, при обратном переходе электрона, может появиться свечение.

- электронные процессы на поверхности полупроводника:

На реальной поверхности полупроводника присутствуют макро- и микроскоп