Термоэлектрические явления в полупроводниках. К важнейшим термоэлектрическим явлениям в полупроводни­ках относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томпсона.

Сущность явления Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных полупроводников или полупроводника и металла, возникает ЭДС, если между концами этих материалов существует разность температур. Свободные носители заряда у горячего конца имеют более высокие энергии и количество их больше, чем у холодного. Поэтому больше поток носителей от горячего конца к холодному. В результате на концах полупроводника накапливается заряд. По знаку термоЭДС можно судить о типе электропроводности полупроводника.

Эффект, обратный явлению Зеебека, называется эффектом Пельтье. Он состоит в том, что при прохождении тока через контакт двух разнородных полупроводников или полупроводника и металла происходит поглощение или выделение теплоты в зависимости от направления тока.

Эффект томпсона заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении тока в однородном материале, в котором существует градиент температур. Наличие градиента температур в полупроводнике приводит к образованию термоЭДС.

^ Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках возникают при воздействии электрического и магнитного полей. Один из них эффект Холла заключается в следующем. Если полупроводник, вдоль которого течет электрический ток, поместить в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, то в полупроводнике возникнет поперечное электрическое поле, перпендикулярное току и магнитному полю.

На рис.31 изображена пластинка полупроводника п-типа. Электрическое поле Е направлено параллельно оси Z, а магнитное поле Н – вдоль оси Y. На движущийся ав магнитном поле электрон действует сила Лоренца, которая отклоняет его в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля. В результате электроны накапливаются у одного из торцов образца. На противоположной грани создается положительный нескомпенсированный заряд, обусловленный ионами донорной примеси. Такое накопление зарядов происходит до тех пор, пока действие возникшего электрического поля не уравновесит действующую на электрон силу Лоренца.

Рис.31

^ Электронно-дырочный переход является основным элементом структуры большинства типов полупроводниковых приборов. Он представляет собой переходной слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различнымти типами проводимости или разными значениями удельной электропроводности, причем одна из областей может быть металлом.

Германий - один из наиболее тщательно изученных полупроводников, и многие явления, характерные для полупровод­ников, впервые экспериментально были обнаружены на этом ма­териале.

Слитки предварительно очищенного германия используют в качестве исходного материала для получения особо чистого германия методом зонной плавки или же непосредственного получения монокристаллов методом вытягива­ния из расплава.

Сущность метода зонной плавки заключается в том, что узкая расплавленная зона перемещается вдоль горизонтально расположен­ного образца, находящегося в графитовой или кварцевой «лодоч­ке». Примеси, имеющиеся в образце, оттесняются к концу слитка. Для высококачественной очистки весь процесс повторяют много раз или используют установки более совершенной конструкции, позво­ляющие создавать вдоль слитка одновременно четыре или пять рас­плавленных зон.

Для получения монокристалла по методу вытягивания из расплава тщательно очищенный от примесей германий расплавляют в установке. Схема установки для выращивания монокристаллов методом Чохральского представлена на рис.32

Рис. 32

Рабочим объемом служит герметическая водоохлаждаемая камера, внутри которой создается вакуум давлением 10^-4Па или защитная газовая среда (водоро или аргон). Материал 2 помещается в тигель 3, насаженный на конец водоохлаждаемого штока 4. Шток 4 при помощи электропривода приводится во вращение с постоянной скоростью. Его можно опускать или поднимать для подбора оптимального положения тигля с расплавом по отношению к нагревательному элементу 5. На нижнем конце штока 1 крепится монокристаллическая затравка. Затравка вводится в расплав и выдерживается в нем, пока не про­изойдет оплавление поверхности. После этого затравку, вращая, начинают медленно поднимать. За затравкой тянется жидкий стол­бик расплава, удерживаемый поверхностным натяжением. Попа­дая в область низких температур над поверхностью тигля, расплав затвердевает, образуя одно целое с затравкой. Этим способом по­лучают монокристаллы германия диаметром до 100 мм.

На электрические свойства гер­мания оказывает сильное влияние термообработка. Если образец п- типа нагреть до температуры выше 550 °С, а затем резко охладить (за­калить), то изменяется тип элект­ропроводности. Аналогичная тер­мообработка германия р-типа при­водит к снижению удельного сопротивления, без изменения типа электропроводности. Отжиг закаленных образцов при температуре 500...550°С восстанавливает не только тип электропроводности, но и первоначальное удельное сопротивление.

Германий применяется для изготовления диодов различных ти­пов, транзисторов, датчиков ЭДС Холла, тензодатчиков. Оптичес­кие свойства германия позволяют его использовать для изготовле­ния фотодиодов и фототранзисторов, модуляторов света, оптичес­ких фильтров, а также счетчиков ядерных частиц. Рабочий диапазон температур германиевых приборов от -60 до +70 ° С.

Кремний является од­ним из самых распространенных элементов в земной коре; его со­держание в ней примерно 29%. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается, а имеется только в соединениях в виде оксида и в солях кремниевых кислот. Чистота природного оксида кремния в виде монокристаллов кварца иногда достигает 99,9%.

Технический кремний содержит при­мерно 1% примесей, и как полупроводник использован быть не может. Он является исходным сырьем для производства кремния полупроводниковой чистоты, содержание примесей в котором дол­жно быть менее 10^-6%.

Технология получения кремния полупроводниковой чистоты включает в себя следующие операции: превращение технического кремния в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено; очистка соединения физическими и хи­мическими методами; восстановление соединения с выделением чистого кремния; конечная очистка кремния методом бестигель­ной зонной плавки; выращивание монокристаллов.

Объемные кристаллы крем­ния получают методами выращивания из расплава и бестигельной вертикальной зонной плавки, схема которой представлена на рис.33.

В этом методе узкая расплавленная зона 2 удерживается между твердыми частями слитка (1 - монокристаллическая, 4 – поликристаллическая часть) благодаря силам поверхностного натяжения. Расплавление слитка осуществляется с помощью высокочастотного индуктора 3; процесс происходит в вакууме или в атмосфере защитной среды.

Рис.33

Кри­сталлы кремния п - и р-типов по­лучают введением при выращи­вании соответствующих приме­сей, среди которых наиболее часто используются фосфор и бор.

Проводимость крем­ния, как и германия, очень силь­но изменяется из-за присутствия примесей. На рис.34 приведе­ны зависимости удельного со­противления кремния и германия от концентрации примесей.

Рис.34

Кремний является базовым материалом полупроводниковой электроники. Он используется как для создания интегральных мик­росхем, так и для изготовления дискретных полупроводниковых приборов. Полупроводниковые интегральные микросхемы, отли­чающиеся малыми размерами и сложной конфигурацией активных областей, особенно широко применяются в вычислительной тех­нике и радиоэлектронике. Из кремния изготовляются различные типы полупроводниковых диодов: низкочастотные (высокочастот­ные), маломощные (мощные), полевые транзисторы; стабилитро­ны; тиристоры. Широкое применение в технике нашли кремние­вые фотопреобразовательные приборы: фотодиоды, фототранзис­торы, фотоэлементы солнечных батарей. Подобно германию, кремний используется для изготовления датчиков Холла, тензодатчиков, детекторов ядерных излучений.

Благодаря тому, что ширина запрещенной зоны кремния боль­ше, чем ширина запрещенной зоны германия, кремниевые прибо­ры могут работать при более высоких температурах, чем германи­евые. Верхний температурный предел работы кремниевых прибо­ров достигает 180... 200 °С.

Селен. Этот элемент VI группы таблицы Менделеева обладает рядом полезных электрических свойств. Он существует в несколь­ких аллотропных модификациях - стеклообразной, аморфной, мо­ноклинной, г»ксагональной. Для очистки селена используют методы вакуумной ректификации и очистку с помощью ионнообменных смол. В результате содержание примесей уменьшается до 10^-4%.

Для изготовления полупроводниковых приборов (выпрямите­лей переменного тока и фотоэлементов) используется серый крис­таллический гексагональный селен. Ширина его запрещенной зоны 1,79 эВ. Такой, селен обладает дырочным типом электропроводно­сти. Его удельное сопротивление примерно 10³ Ом·м (при комнат­ной температуре). Селен в отличие от других полупроводников обладает аномаль­ной температурной зависимостью концентрации свободных носи­телей заряда: она уменьшается с ростом температуры, подвижность носителей заряда при этом возрастает. Электрические свойства се­лена измерялись многими исследователями, однако данные весьма противоречивы.

^ Карбид кремния. Он является единственным бинарным соеди­нением, образованным полупроводниковыми элементами IV груп­пы таблицы Менделеева. Это полупроводниковый материал с боль­шой шириной запрещенной зоны (2,8...3,1 эВ) (в зависимости от модификаций). Карбид кремния применяют для изготовления по­лупроводниковых приборов, работающих при высоких темпера­турах (до 700 °С).

Кристаллы карбида кремния полупроводнико­вой чистоты получают методом возгонки в печах с графитовыми нагревателями и экранами. Процесс кристаллизации проводят в атмосфере аргона при температуре 2400... 2600 °С. Получаемые кри­сталлы обычно имеют пластинчатую форму с размером в попереч­нике примерно 1 см. Карбид кремния является одним из наиболее твердых веществ, он устойчив к окислению до температур свыше 1400 °С.

Электропроводность кристаллов SiC при нормальной темпера­туре примесная. Тип электропроводности и окраска кристаллов карбида кремния зависят от инородных примесей или определя­ются избытком атомов Si или С по сравнению со стехиометрическим составом. Избыток Si приводит к электронной электропроводности SiC, а избыток С - к дырочной.

Карбид кремния применяется для серийного выпуска варисторов (нелинейных резисторов), светодиодов, а также высокотемпе­ратурных диодов, транзисторов, тензорезисторов, счетчиков час­тиц высокой энергии, способных работать в химически агрессив­ных средах.

^ Полупроводниковые соединения А^/// В^V/ являются ближайшими аналогами кремния и германия. Практическое значение имеют нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Получа­ют эти соединения или из расплава, который содержит элементы в равных атомных концентрациях, или из раствора соединения, име­ющего в избытке элементы III группы, а также из газовой фазы. Кристаллы антимонидов, арсенидов галлия и индия обычно выра­щивают из расплава вытягиванием на затравку из-под инертного флюса. Моно­кристаллы, полученные из расплава, обладают недостаточно вы­сокой химической чистотой. Для очистки используются те же ме­тоды, что и для очистки германия и кремния.

^ Арсенид галлия среди соединений занимает особое положение. Большая ширина запрещенной зоны (1,4 эВ), высокая подвижность электронов (0,85 м²/В·с) позволяют создавать на его основе приборы, работающие при высоких температурах и высо­ких частотах.

Первым полупроводником являлся GaAs, на котором в 1962 г. был создан инжекционный лазер. Он используется для изготовле­ния светодиодов, туннельных диодов, диодов Ганна, транзисторов, солнечных батарей и других приборов. Для изготовления детекто­ров в инфракрасной области спектра, датчиков Холла, термоэлек­трических генераторов, тензометров применяется антимонид ин­дия InSb, имеющий очень малую ширину запрещенной зоны (0,17 эВ) и очень высокую подвижность электронов (7,7 м²/В·с).

Широкое применение в серийном производстве светодиодов нашел фосфид галлия GaP, имеющий большую ширину запрещенной зоны (2,25 эВ). В отличие от других соединений группы чрез­вычайно высокой чувствительностью к механическим напряжени­ям обладает антимонид галлия GaSb. Удельное сопротивление GaSb увеличивается в 2 раза при воздействии давления 4·10⁸ Па. При таком же давлении, приложенном к кристаллам GaAs и IпР, их удельное сопротивление меняется лишь на 3 %. Благодаря высо­кой чувствительности к деформациям антимонид галлия исполь­зуют при изготовлении тензометров.

К полупроводниковым соединениям A^//B^V/ относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды, селениды и теллуриды.

Технология выращивания монокристаллов соединений A^//B^V/ разработана гораздо менее полно, чем технология полупроводни­ков типа A^///B^V. Широкозонные полупроводники A^//B^V/ представ­ляют собой в технологическом отношении трудные объекты, так как обладают высокими температурами плавления и высокими давлениями диссоциации в точке плавления. Выращивание таких материалов в большинстве случаев осуществляется перекристал­лизацией предварительно синтезированного соединения через па­ровую фазу в запаянных кварцевых ампулах.

Применяют соединения A^//B^V/ в большинстве случаев для созда­ния промышленных люминофоров, фоторезисторов, высокочув­ствительных датчиков Холла и приемников далекого инфракрас­ного излучения.

Среди полупроводниковых соединений типа A^//B^V/ наиболее изу­ченными являются халькогениды свинца: PbS, PbSe, PbTe, сульфид, селенид и теллурид свинца. Эти соединения являются узкозонными полупроводниками. Халькогениды свинца используют для изготовления фоторезисто­ров в инфракрасной технике, инфракрасных лазеров, тензометров и термогенераторов, работающих в интервале температур от ком­натной до 600 °С.

5.4. Диэлектрики

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, иолекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров роложительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация. Диэлектрики содержат и свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, поэтому ток мал.

Используемые в качестве изоляционных материелов диэлектрики называют пассивными. Существуют активные диэлектрики, параметры которых можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения.

По химическому составу их разделяют на органические, представляющие собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, титана и других элементов; неорганические, не содержащие в своем составе углерода.

Из многообразия свойств диэлектриков, определяющих их техническое применение, основными являются: электропроводность, поляризация и диэлектрические потери, электрическая прочность и электрическое старение.

^ Электропроводность диэлектриков. Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называется сквозным током утечки. В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны и электронные вакансии (дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках 3…7 эВ, энергию, достаточную для перехода в зону проводимости электроны могут приобрести в результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В сильных полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из металлических электродов; возможно образование свободных зарядов (ионов и электронов) в результате ударной ионизации, когда энергия свободных зарядов достаточна для ионизации атомов при соударении.

Для твердых диэлектриков характерной является ионная электропроводность. При нагревании или освещении, действии радиации, сильного электрического поля сначала ионизируются содержащиеся в таких диэлектриках дефекты и примеси. Образовавшиеся таким образом ионы определяют низкотемпературную примесную область электропроводности диэлектрика.

При более интенсивном воздействии на диэлектрик ионизируются основные частицы материала. Удельная проводимость в этом случае изменяется с ростом температуры с большей скоростью, так как число ионов, образовавшихся при ионизации основных частиц, больше, чем при ионизации дефектов и примесей. Энергия активации основных частиц больше, эта область электропроводности называется высокотемпературной собственной.

Поверхностная электропроводность диэлектриков определяется способностью поверхности материала адсорбировать загрязняющие компоненты, в частности, влагу, содержащуюся в окружающей атмосфере.. Хорошо увлажняются полярные диэлектрики, их называют гидрофильными, в отличие от гидрофобных, которые не смачиваются водой. Гидрофобными являются неполярные диэлектрики. Тонкий слой влаги на поверхности снижает поверхностное сопротивление.

^ Диэлектрическая проницаемость и поляризованность. На рис.18 изображены два плоских конденсатора, площадь электродов которых S, а расстояние между ними h. В конденсаторе (рис.35,а) между электродами вакуум, в конденсаторе (рис.35,б) – диэлектрик. Если электрическое напряжение на электродах U, то напряженность электрического поля E = U / h. Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом Q₀ (на рис.35,а – квадраты).

В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате образуются электрические диполи с электрическим моментом: m = ql, где q – суммарный положительны (и численно равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл; l – рсстояние между центрами зарядов, плечо диполя, м.

Рис.35

Для компенсации поляризационных зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Q_д. Суммарный полный заряд в конденсаторе с диэлектриком: Q = Q₀ + Q_д = ε_rQ₀,

где ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость.

Электрическая емкость конденсатора с вакуумом между электродами:

С₀ = Q₀/U.

Емкость этого конденсатора с диэлектриком между электродами:

C = Q/U.

Из этих формул следует, что ε_r = С/С₀ – отношению емкости конденсатора с диэлектриком к емкости того же конденсатора, где между электродами вакуум.

Емкость плосконо конденсатора: С = ε₀ ε_r S/h, где ε₀ = 8,85·10^-12 Ф/м – электрическая постоянная. Произведение ε₀ ε_r = ε, называется абсолютной диэлектрической проницаемостью.

Поляризованное состояние диэлектрика характеризуется также электрическим моментом единицы объема, поляризованностью Р (Кл/м²), которая связана с диэлектрической пронициемостью Р = ε₀(ε_r –1)Е. Поляризованность является векторной величиной.

^ Поляризация диэлектриков.

Принято различать упругую (быструю, нерелаксационную) и неупругую (медленную, релаксационную) поляризации. Упругая поляризация завершается мгновенно за время t, намного меньшее полупериода приложенного напряжения. Поэтому процесс быстрой поляризации создает в диэлектрике только реактивный ток. К таким быстрым поляризациям относятся электронная (завершающаяся за время 10^-16…10^-13с) и ионная упругая (завершающаяся за время 10^-14…10^-13с).

^ Электронная поляризация. В электрическом поле в атомах, ионах или молекулах деформируются электронные оболочки. Смещение электронов происходит на малые расстояния (10^-13 м) в пределах своих атомов и молекул. Такая поляризация происходит у всех атомов и молекул независимо от их агрегатного состояния и существования в них других видов поляризации.

Нв рис.36,а схематически изображены деформация в электрическом поле электронной оболочки атома водорода.

Рис.36

Диэлектрики, у которых имеет место только электронная поляризация, называются неполярными диэлектриками. В молекулах неполярных диэлектриков центры положительного и отрицательного зарядов совпадают, поэтому такие молекулы неполярны. Неполярными диэлектриками являются: газы – гелий, водород, азот, метан; жидкости – бензол, четыреххлористый углерод; твердые – алмаз, полиэтилен, фторопласт-4, парафин.

Значение диэлектрической проницаемости газообразных диэлектриков мало отдичается от 1, а для неполярных жидких и твердых диэлектриков не превышает 2,5. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков с ростом температуры уменьшается незначительно и не изменяется с ростом частоты приложенного напряжения до 10¹²... 10¹³ Гц. На рис.37 представлена зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков.

Рис.37

^ Ионная упругая поляризация происходит в кристаллических диэлектриках, построенных их положительных и отрицательных ионов: в галоидо-щелочных кристаллах, слюде, керамике. В электрическом поле в таких диэлектриках происходит смещение электронных оболочек в каждом ионе – электронная поляризация. Смещаются друг относительно друга подрешетки из положительных и отрицательных ионов, т.е. происходит упругая ионная поляризация (рис.36,б). Это смещение приводит к появлению дополнительного электрического момента, увеличивающего поляризованность, а, следовательно, и диэлектрическую проницаемость. Ионная поляризация не зависит от частоты приложенного напряжения до 10¹² – 10¹³ Гц. Диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов с ростом температуры увеличивается, так как тепловое расширение приводит к ослаблению сил связи между ионами и поэтому к увеличению их смещения в электрическом поле.

^ Неупругие поляризации.

К неупругим относится дипольная поляризация, которая наблюдается в полярных газообразных и жидких диэлектриках. Полярные диэлектрики построены из из полярных молекул, в которых центры положительного и отрицательных зарядов не совпадают. Полярная молекула имеет собственный электрический момент (дипольный момент). Из полярных молекул состоят газообразные аммиак NH₃, пары воды и спиртов. Полярными жидкостями являются вода, хлорбензол C₆H₅Cl, нитробензол C6H5NO₂. В электрическом поле в таких молекулах смещаются электронные оболочки атомов – происходит электронная поляризация, также происходит и дипольная поляризация (дипольные моменты молекул ориентируются по полю). В твердых полярных диэлектриках процесс дипольной поляризации состоит в деформации участков – звеньев, сегментов молекул или ориентация отдельных полярных групп молекул.

Для ориентации диполя требуется время, называемое временем релаксации τ, которое прямо пропорционально вязкости диэлектрика и обратно пропорционально температуре. При увеличении температуры вязкость диэлектрика экспоненциально уменьшается, поэтому уменьшается и τ. В этой области температур ε_r с ростом температуры увеличивается (рис. 38,а, участок б-в). Уменьшение ε_r на участке в-г вызывается разориентацией полярных молекул в результате теплового движения; на участке а-б - уменьшением плотности.

Рис.38

Если Т/2 <τ, то электрические моменты полярных молекул не успевают ориентироваться в электрическом поле и дипольная поляризация уменьшается. Поэтому ε_r полярного диэлектрика уменьшается (рис.38,б). В зависимости от строения диэлектрика и внешних условий время релаксации τ дипольной поляризации изменяется в широких пределах (от 10^-8 до 10^-1 с). При ориентации в электрическом поле диполи преодолевают межмолекулярные силы взаимодействия, поворачиваются с “трением”; в этой области температур дипольная поляризация происходит с потерями.

^ Ионно-релаксационная поляризация. Используемые в технике твердые диэлектрики могут иметь неплотную упаковку объема частицами, дефекты кристаллической решетки – вакансии. Перемещение ионов в электрическом поле становится направленным. В результате возникает различие в расположении центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. появляется электрический момент. Такой процесс называется ионно-релаксационной поляризацией. С ростом температуры увеличивается поляризованность и диэлектрическая проницаемость.

^ Миграционная поляризация. Электроизоляционные материалы могут быть неоднородными с отличающимися значениями удельной электрической проводимости и диэлектрической проницаемости. Образуются дополнительные заряды на границах блоков, зерен. Могут иметь место такие слабо связанные ионы, которые напрвляются к электродам и там локализуются, в результате около электродов образуется объемный заряд, обусловливающий электрический момент. Такую поляризацию называют объемно-зарядовой или высоковольтной поляризацией. Процессы миграционной поляризации завершаются за 10^-3…1 с.

^ Спонтанная (самопроизвольная) поляризация. Доменная поляризация. Сегнетоэлектрики. Характерные для сегнетоэлектриков свойства впервые были обнаружены у сегнетовой соли, поэтому сегнетоэлектриками стали называть вещества, свойства которых подобны свойствам сегнетовой соли.

В сегнетоэлектриках даже в отсутствии электрического поля наблюдается самопроизвольное смещение частиц – ионов в ионных кристаллах или полярных радикалов молекул, которое приводит к несовпадению положительного и отрицательного зарядов в объеме диэлектрика, то есть поляризации. Такая поляризация называется спонтанной (самопроизвольной). В диэлектрике образуются области - домены. В каждом домене частицы, обусловливающие самопроизвольную поляризацию, смещены в одном направлении. В этом направлении ориентирован и вектор спонтанной поляризованности P_s домена. В соседних доменах направление P_s может быть противоположным или перпендикулярным (рис.39,а).

Рис.39

В электрическом поле в сегнетоэлектриках происходят упругие электронная и ионная поляризации, а также неупругая доменная. В процессе доменной поляризации векторы Р_s доменов ориентируются по направлению электрического поля (рис.39,б). Переориентацией направлений Р_s доменов объясняются характерные для сегнетоэлектриков нелинейные свойства: диэлектрический гистерезис и зависимость их диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля (рис.39,в,г). Поляризованность кристалла с ростом напряженности электрического поля увеличивается благодаря ориентации Р_s доменов и достигает поляризованности насыщения. С уменьшением напряженности при Е = 0 наблюдается остаточная поляризованность, так как сохраняется ориентация доменов. Уменьшить поляризованность до нуля можно приложив к образцу электрическое поле напряженностью Е_с, которое называется коэрцитивной силой.

Для сегнетоэлектриков характерны большая (до нескольких тысяч) диэлектрическая проницаемость и ее резкая зависимость от температуры (рис.39,д). Увеличение температуры приводит к ослаблению сил, препятствующих ориентации доменов. Поляризованность диэлектрика, вызванная доменной поляризацией, увеличивается, а диэлектрическая проницаемость достигает максимального значения при температуре точки Кюри. Спонтанная поляризованность при температуре Кюри исчезает, сегнетоэлектрик теряет свои сегнетоэлектрические свойства и переходит в параэлектрическое состояние, при котором сохраняется нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля.

^ Удельные диэлектрические потери и угол диэлектрических потерь.

Диэлектрическими потерями называют мощность, поглощаемую диэлектриком под действием приложенного напряжения. Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными по­ляризациями. Если в диэлектрике имеют место газовые включения (поры), то в процессе работы его при высоких напряжениях и вы­соких частотах происходит ионизация газа в порах, что вызывает потери на ионизацию.

При включении на постоянное напряжение конденсатора, меж­ду электродами которого находится диэлектрик, через него проте­кает уменьшающийся со временем ток I = I_абс + Ι_ск (рис. 40, а).

Рис.40

Ток смещения (емкостной ток) I_c вызван смещением электрон­ных оболочек в атомах, ионах и молекулах, т.е. процессом уста­новления быстрых, упругих поляризаций; он спадает в течение 10^-16... 10^-15 с, поэтому не вызывает рассеяния энергии в диэлектрике.

Спадающий со временем ток абсорбции I_абс обусловлен смеще­нием связанных зарядов в ходе медленных поляризаций и вызыва­ет рассеяние энергии в диэлектрике, диэлектрические потери.

Сквозной ток утечки I_ск вызван перемещением свободных заря­дов в диэлектрике в процессе электропроводности, не изменяется со временем (если не происходит электроочистка диэлектрика или его старение, деградация) и вызывает потери, аналогичные джоулевым потерям в проводниках. Следовательно, при постоянном напряжении потери, вызванные током абсорбции, имеют место только в период, когда происходит процесс медленных поляризаций, т.е. при включении конденсатора.

При переменном напряжении I_абс имеет место, если время релак­сации процесса медленных поляризаций меньше или соизмеримо с полупериодом приложенного напряжения (τ = Т/2). В этом случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике под воздействием на него электрического поля, т.е. диэлектрические потери, обусловливае­мые токами I_ск и I_абс, наблюдаются в течение всего времени воздей­ствия приложенного напряжения.

На векторной диаграмме токов, протекающих через конденса­тор с диэлектриком при переменном напряжении (рис. 23, б), ем­костной ток I_c опережает напряжение U по фазе на угол 90° и по­этому не создает потерь мощности в диэлектрике. Ток абсорбции I_абс определяется поляризациями, процесс установления которых связан с потерями энергии. Поэтому он имеет реактивную I_ра и ак­тивную I_аа составляющие. Сквозной ток I_ск совпадает по фазе с приложенным напряжением. Суммарный ток I имеет реактивную I_p = I_c + I_pa и активную I_a = I_аа + I_ск составляющие и опережает напря­жение на угол φ < 90°. Угол δ дополняющий до 90° угол фазового сдвига между током и напряжением в емкостной цепи, называют углом диэлектрических потерь. В соответствии с векторной диаг­раммой токов:

tgδ = I_a/I_p,

где tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь, который является важным параметром, характеризующим качество диэлектрика при работе на переменном напряжении.

Для диэлектриков, применяемых в технике высоких частот и высоких напряжений, значение tgδ не должно превышать 10^-4…10^-3. Мощность диэлектрических потерь: Р_а = UI_a = ωU²C tgδ. Подставив выражение для емкости плоского конденсатора, и приняв S = 1 м², h = 1 м, получим формулу для расчета удельных диэлектрических потерь (Вт/м²): Р_{а уд} = 5,567 ·10¹¹ Е² ε_r f tgδ, где Е – напряженность электрического поля, В/м; ε_r tgδ = ε˝ - коэффициент диэлектрических потерь; 5,567·10^-11 ε_r f tgδ = σ_а – проводимость диэлектрика при переменном токе частотой f, См/м.

^ Диэлектрические потери в твердых диэлектриках. В неполярных твердых диэлектриках диэлектрические потери вызваны электро­проводностью, а в полярных - электропроводностью и дипольной поляризацией. Изменение tgδ от температуры и частоты для твердых неполярных и полярных диэлектриков представлены на рис.41.

Рис.41

В процессе тепловой ионной поляризации твердых диэлектри­ков перемещение слабосвязанных ионов в электрическом поле про­исходит с потерями энергии. В некоторых диэлектриках с неплот­ной упаковкой объема частицами, например стеклах, где имеет ме­сто ионно-релаксационная поляризация, также наблюдаются закономерности изменения tgδ от температуры и частоты, харак­терные для дипольной поляризации.

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках определяются электропроводностью и доменной поляризацией. Изменения tgδ от температуры и частоты в этом случае такие же, как и у твердых полярных диэлектриков.

^ Пробой диэлектриков и электрическая прочность.

Если в ходе повышения приложенного к изоляции напряжения напряженность электрического поля в диэлектрике превышает некоторое крити­ческое значение, то диэлектрик теряет свои электроизолирующие свойства.

Сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возраста­ет до 10⁸ А/м², а сопротивление диэлектрика уменьшается до тако­го значения, что происходит короткое замыкание электродов. Это явление называют пробоем диэлектрика. Значение напряжения в момент пробоя U_пр называют пробивным напряжением, напряжен­ность электрического поля Е_пр - электрической прочностью.

Если напряжение U достигло значения U_пр, то сквозной ток рез­ко увеличивается даже и тогда, когда напряжение на электродах уменьшается. Это обусловливается тем, что под действи­ем приложенного напряжения в диэлектрике происходят необра­тимые изменения, резко уменьшающие его электрическое сопротивление. Различают следую­щие виды пробоя диэлектриков.

Электрический пробой - это процесс, в результате которого ди­электрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, ионов или молекул. Он вызывается ударной ионизацией электронами.

^ Электротепловой пробой обусловлен прогрессивно нарастаю­щим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектри­ческих потерь или электропроводности; его часто называют теп­ловым пробоем.

Тепловой пробой возникает, когда нарушается равновесие меж­ду теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающую среду. Если выделяющаяся теплота боль­ше отводимой, то диэлектрик нагревается, и в местах наихудшего теплоотвода температура возрастает до такого значения, при ко­тором происходит прожог, проплавление, т.е. пробой.

^ Электрохимический пробой (электрическое старение) обусловлен медленными изменениями химического состава и сруктуры диэлек­трика, которые развиваются под действием электрического поля или частичных разрядов в диэлектрике или в окружающей диэлек­трик среде. Процесс электрохимического пробоя развивается в электрических полях с напряженностью, значительно меньшей, чем электрическая проч­ность диэлектрика.
^

Дата добавления: 2015-07-11