Учебно-методический комплекс по дисциплине «электротехнические материалы»

δ=0,386 p/t+273
при нормальных условиях ζ=1
При больших давлениях и соответственно повышенной плотности газа расстояние между отдельными молекулами становится меньше; тем самым уменьшается длина свободного пробега электронов, и, как следует из формулы (3), для того чтобы пробой произошел, должна быть увеличена напряженность поля.
При высоком вакууме пробой можно объяснить явлением вырывания электронов из поверхности электрода (холодная эмиссия). В этом случае электрическая прочность доходит до весьма высоких значений и зависит от материала и состояния поверхности электродов. Большую электрическую прочность вакуума используют в технике при конструктировании вакуумных конденсаторов для больших напряжений высокой частоты. Газы при больших давлениях применяются в качестве изоляции для высоковольтной аппаратуры, а также в производстве кабелей и конденсаторов высокого напряжения.
Химический состав газа заметно влияет на величину электрической прочности.
Контрольные вопросы

1. 
   Добавочная энергия заряженных частиц
   
2. 
   Ионизационный потенциал
   

Литература
1. Богородицкий Н.П., Посынков В.В., Фареев Б.М. Электротехническиематериалы.
Л. Энергоатомиздат, 1985.
2. Kаmolоv Sh.M., Аxmеdоv А.Sh. Elеktrоtеxnikа mаtеriаllаri. O’qituvchi, Tоshkеnt. 1994.
3. Kаmolоv Sh.M., Аxmеdоv А.Sh. Dielеktriklаr. O’qituvchi, Tоshkеnt. 1990.
4. Казанцев А.П. Электротехнические материалы. – Минск. Дизайн ПРО,
1998.


Практическое занятие №5
Изучение свойств полупроводниковых материалов
План занятия

1. 
   Электрические свойства полупроводников
   
2. 
   Примесные атомы с валентностью
   

Теоретическая часть
Электротехнические устройства, эксплуатируемые в производстве, подвергаются воздействию изменяющихся электрических напряжений. Например, значение переменного напряжения в электросети в течение полупериода меняется от нуля до 220В. Данное изменение напряжения создает переменное поле внутри электрических элементов и генерирует электрический ток. Следовательно, для предотвращения протекания больших токов и выхода со строя электроустановок необходимо знать закономерность изменения тока в электропроводящих цепях и элементах.
Электротехнические материалы в зависимости от величины электропроводности делятся на три класса: проводники, полупроводники и диэлектрики.
Характерной особенностью проводников является то, что их электрические свойства могут изменяться под влиянием ряда физических факторов: температуры, электрического поля, примесей. Закон изменения тока от напряжения для проводников выражается известным законом Ома

Согласно закону Ома ток в проводнике увеличивается по линейному закону при возрастании напряжения. Влияние температуры окружающей среды на электропроводность проводников (серебро, мед, алюминий и др.) выражается формулой:



где t – температура среды в ⁰С.
R_t – сопротивление материала при температуре t
R₂₀ - сопротивление материала при температуре t = 20 ⁰С.
α – температурный коэффициент сопротивления (α =4,3·10^-3 К^-1 для алюминия и α =3,8·10^-3 К^-1 для меди). Следовательно, изменение сопротивления электропроводящих материалов практически не зависит от температуры.
Электрические свойства полупроводников резко меняются под влиянием ряда физических факторов: температуры, освещения, электрического поля и др. Поэтому их используют в качестве датчиков физических величин. Классическая электронная теория не может полностью объяснить свойства полупроводников. Дело заключается в том, что проводимость полупроводников не исчерпывается электронной проводимостью.
Рассмотрим следующее:
1. Пусть кристалл германия Ge содержит в качестве примеси атом сурьмы. Германий является четырехвалентным элементом и, следовательно, каждый его атом имеет на внешней электронной оболочке 4 электрона. Валентность же сурьмы равна 5. Поэтому замена атома германия атомом сурьмы приведет к появлению избыточного электрона. Таким образом, примесные атомы сурьмы добавляют в решетку германия избыточные электроны, причем в целом кристалл остается электрически нейтральным. При низких температурах данные электроны притягиваются к положительным ионам сурьмы. При повышении температуры до комнатной, вследствие тепловых колебаний решетки, эти избыточные электроны легко покидают атомы сурьмы и становятся свободными (коллективизированными). Такие полупроводники, проводимость которых обусловлена избыточными электронами, называются полупроводниками n–типа.
2. Примесные атомы с валентностью, превышающей валентность атомов решетки, называются донорами. Примером полупроводников с проводимостью ионного типа может служить кристалл германия с примесью 3-х валентного атома бора. Вследствие структуры кристаллической решетки германия, характеризуемой 4-х валентными связями, атом бора захватывает один электрон у соседнего атома германия. Последний в свою очередь, может захватить электрон у другого атома германия и т. д. Такое последовательное «перескакивание» электронов, очевидно, эквивалентно движению в противоположную сторону положительного заряда, равного по величине заряду электрона. Дело обстоит так как, будто перемещается «место электрона» – положительно заряженная «дырка». Такие полупроводники, проводимость которых определяется движением «дырок» («дырочная» проводимость), называются полупроводниками р – типа. Примесные атомы, валентность которых меньше валентности атомов кристалла, называется акцепторными, так как они захватывают электроны.
Следует отметить, что некоторые типы полупроводников обладают одновременно n и р типами проводимости.
Рассмотрим механизм выпрямления тока на границе полупроводников p и n типа. При отсутствии внешнего поля положительные «дырки» диффундируют в n полупроводник и нейтрализуют часть электронов. Свободные электроны из n – полупроводника также диффундируют в р – полупроводник, нейтрализуя часть дырок. В результате приконтактная область правого полупроводник оказывается заряженной положительно, а левого полупроводника – отрицательно. В результате в области p - n перехода возникает контактная разность потенциалов, препятствующая дальнейшему перемещению электронов и дырок через границу.
Если к рассмотренной системе полупроводников разного типа подключить внешний источник ЭДС положительным полюсом к полупроводнику типа р, а отрицательным полюсом к полупроводнику типа n, то в этом случае внешняя разность потенциалов будет уменьшать контактную разность потенциалов. Электроны начнут двигаться к положительному полюсу батареи, а дырки к отрицательному. В результате, по цепи потечет большой ток (I_пр - прямой ток). Если поменять полярность внешней батареи то приложенное поле стремится оттянуть заряды обоих типов от границы, создавая в области контакта обедненную свободными зарядами зону и величина тока в этому случае будет очень мала и обусловлена только тепловой диффузией электронов и дырок (I_обр -обратный ток). С известной степенью приближения зону, обедненную свободными зарядами, можно рассматривать как диэлектрик.
Если внешнюю батарею заменить источником переменного тока; то в течение одного полупериода будет наблюдаться значительный прямой ток, в течение другого – очень малый, обратный ток. Таким образом, система, состоящая из p-n перехода, и, соответственно, конструктивно оформленная (полупроводниковый диод), обладает вентильными свойствами и может выполнять функцию выпрямителя. Кривая зависимости тока от приложенного к такому диоду напряжения, называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) диода.