Проводники, полупроводники и изоляторы

                      "Проводники, полупроводники и изоляторы"

 

 

 

 

                                        Содержание

Введение

1.  Проводниковые материалы

1.1.  Общие сведения

2.  Полупроводники. Полупроводниковые приборы

2.1. Общие  сведения

2.2. Полупроводниковые  диоды

2.3. Тиристоры

3.  Электроизоляционные материалы

 

 

 

 

                                

 

 

 

 

                          Проводниковые материалы

  В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. К проводниковым материалам в электротехнике относятся металлы, их сплавы, контактные металлокерамические композиции и электротехнический уголь. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы, характеризующиеся электронной проводимостью; основной параметр для них – удельное электрическое сопротивление в функции температуры.

  Диапазон удельных сопротивлений металлических проводников весьма узок и составляет от 0,016 мкОм٠м для серебра до 1,6 мкОм٠м для жаростойких железохромоалюминиевых сплавов. Электрическое сопротивление графита с увеличением температуры проходит через минимум с последующим постепенным повышением.

 По роду применения проводниковые материалы подразделяются на группы:

проводники с высокой проводимостью – металлы для проводов линий электропередачи и для изготовления кабелей, обмоточных и монтажных проводов для обмоток трансформаторов, электрических машин, аппаратуры и пр.;

конструкционные материалы – бронзы, латуни, алюминиевые сплавы и т.д., применяемые для изготовления различных токоведущих частей;

сплавы высокого сопротивления – предназначаемые для изготовления дополнительных сопротивлений к измерительным приборам, образцовых сопротивлений и магазинов сопротивлений, реостатов и элементов нагревательных приборов, а также сплавы для термопар, компенсационных проводов и т.п.;

контактные материалы – применяемые для пар неразъемных, разрывных и скользящих контактов;

материалы для пайки всех видов проводниковых материалов.

  Механизм прохождения тока в металлах обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода.

                  Электрическое сопротивление проводников

    Электрическое сопротивление обусловлено тем, что свободные электроны при дрейфе взаимодействуют с положительными ионами кристаллической решетки металла. При повышении температуры учащаются соударения электронов с ионами, поэтому сопротивление проводников зависит от температуры. Сопротивление проводников зависит от материала проводника, т.е. строение его кристаллической решетки. Для однородного цилиндрического проводника длиной l и площадью поперечного сечения S сопротивление определяется по формуле

R = ρ٠l/S                      (1.)

где ρ=RS/l – удельное сопротивление проводника (сопротивление однородного цилиндрического  проводника, имеющего единичную длину  и единичную площадь поперечного  сечения).

Единица сопротивления – Ом.

1 Ом: Ом  – сопротивление проводника, по  которому при напряжении 1 В течет ток 1 Ом=1 В/А.

Величина  σ=1/ρ, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической  проводимостью проводника.

Единица электрической проводимости – сименс (См).

Сименс  – электрическая проводимость проводника сопротивлением 1 Ом, т.е. 1 См=1 Ом־¹. Из формулы (1.1) следует, что единицей удельного сопротивления является Ом-метр (Ом ٠м).

Таблица 1.1 Удельное сопротивление наиболее распространенных проводников

Удельное  электрическое сопротивление проводника зависит не только от рода вещества, но и от его состояния. Зависимость  удельного сопротивления ρ от температуры выражается формулой

ρ = ρ0 (1+ αt), (1.2)

где ρ0 –  удельное сопротивление при 0°C; t – температура (по шкале Цельсия); α – температурный коэффициент сопротивления, характеризующий относительное изменение сопротивления проводника при нагревании его на 1°C или 1 K:

α = (ρ-ρ0)/ρ0t. (1.3)

Температурные коэффициенты сопротивления веществ  различны при разных температурах. Однако для многих металлов изменение  α с температурой не очень велико. Для всех чистых металлов α ≈ 1/273 K־¹ (или °C־¹).

Зависимость сопротивления металлов от температуры  положена в основу устройства термометров  сопротивления. Они используются как  при очень высоких, так и при  очень низких температурах, когда  применение жидкостных термометров  невозможно.

Из понятия  о проводимости проводника следует, что чем меньше сопротивление  проводника, тем больше его проводимость. При нагревании чистых металлов их сопротивление увеличивается, а  при охлаждении – уменьшается.

В 1911 г. Голландский  физик Камерлинг-Оннес провел опыты с ртутью, которую можно получить в чистом виде. Он столкнулся с новым, совершенно неожиданным явлением. Удельное сопротивление ртути при температуре 4,2 K (около -269°C) резко упало до такой малой величины, что его практически стало невозможно измерить. Это явление обращения электрического сопротивления в нуль Камерлинг-Оннес назвал сверхпроводимостью.

В настоящее  время сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов, большого числа сплавов, некоторых полупроводников и полимеров. Температура Tкр перехода проводника в сверхпроводящее состояние для чистых металлов лежит в пределах от 0,14 K для иридия до 9,22 K для ниобия.

Движение  электронов в металле, находящемся  в состоянии сверхпроводимости, является до такой степени упорядоченным, что электроны, перемещаясь по проводнику, почти не испытывают соударений с  атомами и ионами решетки. Полное объяснение явления сверхпроводимости  можно дать с позиций квантовой  механики.

Кроме чисто  электротехнических свойств, для проведения необходимой технологической обработки  и обеспечения заданных сроков службы в эксплуатации, проводниковые материалы  должны обладать достаточной нагревостойкостью, механической прочностью пластичностью.  

      

  2. Полупроводники. Полупроводниковые приборы 

Полупроводниками  называют вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное  значение между удельными проводимостями металлов и диэлектриков. Полупроводники одновременно являются плохими проводниками и плохими диэлектриками. Граница  между полупроводниками и диэлектриками  условна, так как диэлектрики  при высоких температурах могут  вести себя как полупроводники, а  чистые полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. В  металлах концентрация электронов практически  не зависит от температуры, а в  полупроводниках носители заряда возникают  лишь при повышении температуры  или при поглощении энергии от другого источника.

Типичными полупроводниками являются углерод (C), германий (Ge) и кремний (Si). Германий – это хрупкий серовато-белый элемент, открытый в 1886 году. Источником порошкообразной двуокиси германия, из которой получают твердый чистый германий, являются золы некоторых сортов угля.

Кремний был открыт в 1823 году. Он широко распространен  в земной коре в виде кремнезема (двуокиси кремния), силикатов и алюмосиликатов. Двуокисью кремния богаты песок, кварц, агат и кремень. Из двуокиси кремния химическим путем получают чистый кремний. Кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом.

Рассмотрим  подробнее образование электронов проводимости в полупроводниках  на примере кремния. Атом кремния  имеет порядковый номер Z=14 в периодической  системе Д. И. Менделеева. Поэтому  в состав его атома входят 14 электронов. Однако только 4 из них находятся  на незаполненной внешней оболочке и являются слабо связанными. Эти  электроны называются валентными и  обуславливают четыре валентности  кремния. Атомы кремния способны объединять свои валентные электроны  с другими атомами кремния  с помощью так называемой ковалентной связи (рис. 2.1). При ковалентной связи валентные электроны совместно используются различными атомами, что приводит к образованию кристалла.

  При повышении температуры кристалла тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате этого часть электронов, ранее участвовавших в образовании валентных связей, отщепляется и становится электронами проводимости. При наличии электрического поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток. 

Однако, при освобождении электрона в кристаллической решетке образуется незаполненная межатомная связь. Такие «пустые» места с отсутствующими электронами связи получили название «дырок». Возникновение дырок в кристалле полупроводника создает дополнительную возможность для переноса заряда. Действительно, дырка может быть заполнена электроном, перешедшим под действием тепловых колебаний от соседнего атома. В результате на этом месте будет восстановлена нормальная связь, но зато в другом месте появится дырка. В эту новую дырку в свою очередь может перейти какой-либо из других электронов связи и т.д. Последовательное заполнение свободной связи электронами эквивалентно движению дырки в направлении, противоположном движению электронов. Таким образом, если при наличии электрического поля электроны перемещаются против поля, то дырки будут двигаться в направлении поля, т.е. так, как двигались бы положительные заряды. Следовательно, в полупроводнике имеются два типа носителей тока – электроны и дырки, а общая проводимость полупроводника является суммой электронной проводимости (n-типа, от слова negative) и дырочной проводимости (p-типа, от слова positive).

  Наряду с переходами электронов из связанного состояния в свободное существуют обратные переходы, при которых электрон проводимости улавливается на одно из вакантных мест электронов связи. Этот процесс называют рекомбинацией электрона и дырки. В состоянии равновесия устанавливается такая концентрация электронов (и равная ей концентрация дырок), при которой число прямых и обратных переходов в единицу времени одинаково.

  Рассмотренный процесс проводимости в чистых полупроводниках называется собственной проводимостью. Собственная проводимость быстро возрастает с повышением температуры, и в этом существенное отличие полупроводников от металлов, у которых с повышением температуры проводимость уменьшается. Все полупроводниковые материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Чистые  полупроводники являются объектом, главным  образом, теоретического интереса. Основные исследования полупроводников связаны  с влиянием добавления примесей в  чистые материалы. Без этих примесей не было бы большинства полупроводниковых  приборов.

  Чистые полупроводниковые материалы, такие как германий и кремний, содержат при комнатной температуре небольшое количество электронно-дырочных пар и поэтому могут проводить очень маленький ток. Для увеличения проводимости чистых материалов используется легирование.

  Легирование – это добавление примесей в полупроводниковые материалы. Используются два типа примесей. Примеси первого типа – пятивалентные – состоят их атомов с пятью валентными электронами, например, мышьяк и сурьма. Примеси второго типа – трехвалентные – состоят из атомов с тремя валентными электронами, например, индий и галлий.  

Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным материалом, таким  как мышьяк (As), то некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка (рис. 2.2). Атом мышьяка вводит четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным. Атом мышьяка называется донорским, поскольку он отдает свой лишний электрон. В легированном полупроводниковом материале находится достаточное количество донорских атомов, а следовательно и свободных электронов, для поддержания тока.

  При комнатной температуре количество дополнительных свободных электронов превышает количество электронно-дырочных пар. Это означает, что в материале больше электронов, чем дырок. Поэтому электроны называют основными носителями. Дырки называют неосновными носителями. Поскольку основные носители имеют отрицательный заряд, такой материал называется полупроводником n-типа.

  Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентными атомами, например атомами индия (In), то эти атомы разместят свои три валентных электрона среди трех соседних атомов (рис. 2.3). Это создаст в ковалентной связи дырку.

  Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки называются акцепторными.  

При обычных  условиях количество дырок в таком  материале значительно превышает  количество электронов. Следовательно, дырки являются основными носителями, а электроны – неосновными. Поскольку  основные носители имеют положительный  заряд, материал называется полупроводником p-типа.

  Полупроводниковые материалы n- и p-типов имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее полупроводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление.

  Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется p-n переходом и обладает очень важным свойством – его сопротивление зависит от направления тока. Отметим, что такой контакт нельзя получить, прижимая друг к другу два полупроводника. p-n переход создается в одной пластине полупроводника путем образования в ней областей с различными типами проводимости. Методы получения p-n переходов описаны ниже.

  Итак, в куске монокристаллического полупроводника на границе между двумя слоями с различного рода проводимостями образуется p-n переход. На ней имеет место значительный перепад концентраций носителей зарядов. Концентрация электронов в n-области во много раз больше их концентрации в p-области. Вследствие этого электроны диффундируют в область их низкой концентрации (в p-область). Здесь они рекомбинируют с дырками и таким путем создают пространственный отрицательный заряд ионизированных атомов акцептора, не скомпенсированный положительным зарядом дырок.