Электротехнические материалы Полупроводниковые материалы Композиционные диэлектрики Проводники Магнитотвердые материалы Магнитомягкие ферриты Электротехнические стали Диэлектрические потери Жидкие диэлектрики

Электропроводность полупроводников и слабопроводящих материалов.

          В любом теле при приложении напряжения должен протекать ток в соответствии с выражением, определяющим плотность тока

                                            (7.1)

          Здесь n_i - концентрация носителей заряда i-ого сорта, q_i - значение заряда, v_i - скорость заряда.  Определяющий параметр в этом выражении - n_i. Как уже упоминалось во второй лекции n_i велико для металлов, т.к. нет энергетического барьера для выхода электронов, n_i - очень мало для диэлектриков, т.к. энергетический барьер (ширина запрещенной зоны) составляет порядка 10 Эв. Полупроводники и слабопроводящие материалы являются промежуточным звеном. Их ширина запрещенной зоны составляет обычно от доли  эВ до нескольких эВ.  Удельное сопротивление полупроводников меняется в диапазоне от микроом на метр до десятков мегаом на метр.

          Большой интерес к полупроводникам вызван возможностью управления их свойствами путем добавления небольших количеств других веществ, т.н. легирования. Если добавлять легко ионизирующиеся вещества, т.е. вещества легко отдающие электроны, их еще называют веществами-донорами электронов,  (например к германию добавить мышьяк) то можно создать полупроводник с электронной проводимостью. В этом случае существует некоторое количество свободных электронов, за счет которых осуществляется проводимость. Такой полупроводник называется полупроводником n-типа.

          Если добавлять вещества с большим сродством к электрону, т.е. вещества, легко захватывающие электроны, например к германию добавить индий, то создается полупроводник с т.н. "дырочной" проводимостью. В этом случае существует некоторое количество свободных электронных вакансий, за счет которых осуществляется проводимость.    Это как бы эквивалентно появлению в полупроводнике положительных носителей заряда с примерно такими же свойствами, что и электроны, но противоположно заряженных. Такой полупроводник называется полупроводником р-типа.  За счет комбинации полупроводников р- и n- типа созданы различные электронные приборы: диоды, транзисторы, тиристоры и т.п.  В энергетике полупроводники напрямую мало используются, но электронные компоненты на основе полупроводников используются достаточно широко.  Это любая электроника на станциях, подстанциях, диспетчерских управлениях, службах и т.п. Выпрямители, усилители, генераторы, преобразователи.

          Из полупроводниковых материалов отметим германий (он исторически был первым полупроводником наряду с окисью меди) и кремний. Последний в настоящее время является полупроводником № 1.

          Рассмотрим некоторые характеристики кремния:

Плотность, кГ/м³                                    2300

Т плавления,°С                                         1400

Теплоемкость, кДж/(кг×К)                       0.8

Теплопроводность, Вт/( м×К)                   167

Энергия активации 

(ширина запрещенной зоны) , эВ             1,1

Концентрация собственных носителей,   0.04/мкм³.  

 

  Из других видов полупроводников можно отметить арсенид галлия, селен (фоторезисторы). 

 

          Электропроводность технических материалов также определяется аналогично выражению (1).  Отметим, что электропроводность растет с ростом температуры. Это связано с тем, что с ростом температуры  электроны имеют повышенную энергию и они легче могут ионизоваться.

          В металлах, как указывалось ранее, электропроводность падает с ростом температуры. Это связано с тем, что в металлах количество носителей заряда велико и не зависит от температуры, но их движение может затрудниться при взаимодействии с тепловыми колебаниями молекул металла.  Если снова обратиться к формуле (7.1), то скорость V (и подвижность) должна падать с ростом температуры из-за участившихся столкновений электронов с колебаниями решетки.