Электрические свойства конструкционных материалов РЭА
1. Электрическая проводимость
Проводники
Электроны в изолированных атомах занимают дискретные уровни энергии. Однако в твердом теле, представляющем собой совокупность атомов, атом нс может уже считаться в изоляции от других атомов и электроны атомов находятся теперь под влиянием не только их собственных ядер, но также и соседних атомов. Таким образом, в твердом теле дискретные уровни энергии атомов расширяются, образуя энергетические зоны. Самая верхняя зона энергии, содержащая занятые уровни при температуре 0 К в твердом теле, называется валентной зоной. Энергетическая зона непосредственно выше валентной зоны, которая содержит вакантные уровни энергии при 0 К, называется зоной проводимости. Параметры энергетической зоны между валентной зоной и зоной проводимости, называемой запрещенной зоной, зависят от элемента или от соответствующего соединения.
Когда к образцу материала приложена разность потенциалов, то внутри этого материала возникает электрическое поле. В случае хорошего проводника эта разность потенциалов создает ток. Электрическое поле является источником силы у носителей заряда, т.е. электронов в случае металла, и они могут свободно двигаться. Так происходит, если электрическое поле способно переводить валентные электроны на свободные уровни энергии. Исходя из этого модель для хорошего проводника характеризуется отсутствием запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости (рисунок 1).
В случае изолятора прикладываемая разность потенциалов не вызывает ток. Тогда, хотя электрическое поле приложено и действует на электроны, они не способны двигаться. Модель этого материала представляется валентной зоной и зоной проводимости с запрещенной зоной между ними. Энергетический барьер слишком велик. Электронам необходима большая энергия, чтобы преодолеть его и перейти в зону проводимости.
Алмаз, являясь изолятором, имеет запрещенную зону около 5 эВ (электронвольт (эВ) — единица энергии, это энергия, получаемая электроном при движении в поле с разностью потенциалов в 1 В, т.е. около 1.6*10-19 Дж).
Полупроводником считается материал с малым барьером между валентной зоной и зоной проводимости, типичное значение этого барьера около 1 эВ или меньше. Это достаточно большая величина. Однако некоторые электроны в валентной зоне смогут преодолеть барьер при комнатной температуре, получив тепловую энергию за счет разности температур между ОК и комнатной. В зоне проводимости со свободными уровнями энергии они могут легко двигаться. Итак, в валентной зоне имеется некоторое количество свободных уровней (называемых дырками), из которых электроны перешли в зону проводимости. Оставшиеся в валентной зоне дырки могут там передвигаться.
Рисунок 1 - Энергетические зоны
Полупроводники
Полупроводниковые элементы, германий и кремний, относятся к элементам IV группы Периодической таблицы, имеют атомы, которые связаны вместе в твердом состоянии, причем каждый атом образует четыре валентные связи с соседними атомами. В каждой такой связи совместно участвует пара электронов. Когда валентные электроны двигаются, то одна из связей разрывается и в этом месте появляется дырка. Под действием электрического поля, возникающего при приложении разности потенциалов к образцу материала, электрон соседнего атома может разорвать свою связь и заполнить дырку, и таким образом дырка переходит в новое положение. Появляется проводимость как результат коллективного передвижения электронов и дырок. Это подводит нас к пониманию дырок как частиц с положительным зарядом, поскольку под действием электрического поля они двигаются в противоположном направлении по сравнению с электронами. Так как все дырки образуются при освобождении из связей электронов, т.е. при переходе их из валентной зоны в зону проводимости, в этом случае будет равное число электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, и в таком химически чистом полупроводнике присутствует собственная проводимость.
Свойства полупроводников можно изменять легированием, т.е. добавлением малого количества других элементов. Атомы кремния и германия имеют четыре валентных электрона. Если элементы имеют пять валентных электронов, например элементы V группы Периодической таблицы, такие как мышьяк, сурьма или фосфор, то такие примеси называются донорными, так как они замещают атомы кремния, образуя ковалентные связи четырех из пяти электронов с соседними атомами кремния, а пятый электрон они легко отдают для участия в проводимости. Мы можем представить эту ситуацию на рисунке уровнем энергии, называемым донорным уровнем, расположенным в запрещенной зоне между валентной зоной и зоной проводимости, но ближе к зоне проводимости (рисунок 2). Энергетический барьер между донорным уровнем и зоной проводимости составляет около 0.01 эВ. То есть при комнатной температуре фактически все донорные электроны будут находиться в зоне проводимости. В результате этого получается, что в зоне проводимости больше электронов, чем дырок в валентной зоне. В этом случае электрическая проводимость будет больше при движении электронов, чем дырок. Такой полупроводник, в котором преобладают донорные примеси, называется электронным, или n-типа.
Если элементы, имеющие три валентных электрона, например элементы III группы Периодической таблицы, такие как бор, алюминий, индий или галлий, используются в качестве примеси к кремнию, тогда все три его валентных электрона образуют ковалентные связи с соседними атомами кремния, но теперь недостает одного электрона, т.е. нет одной связи, она не заполнена. Так появляется дырка, перемещаемая как единица положительного заряда, поскольку заполнение дырки электроном из соседней ковалентной связи выглядит как перемещение дырки. Энергетические зоны для материала тогда показывают уровень энергии, называемый акцепторным, с дырками как раз выше валентной зоны. Энергетический барьер между акцепторным уровнем и валентной зоной составляет около 0.01 эВ. Электроны из валентной зоны легко переходят на акцепторный уровень. Теперь больше дырок в валентной зоне, чем электронов в зоне проводимости, и электрическая проводимость определяется главным образом дырками (дырочная проводимость), поэтому такой полупроводник с преобладанием акцепторных примесей называют дырочным, или p-типа, где р означает, что проводимость осуществляется главным образом носителями с положительным зарядом.
Рисунок 2 - Типы проводимости в полупроводниках
Полупроводники не ограничиваются только элементами IV группы — кремнием и германием. Полупроводники могут быть получены из соединения элементов III и V групп, например арсенид галлия, из соединения элементов II и VI групп, например сульфид кадмия, и из соединения элементов IV и VI групп, например сульфид свинца.
Диэлектрики
Диэлектрические материалы являются изоляторами. Их изолирующие свойства определяют и их применение, например, для кабелей и конденсаторов. Важным параметром у последних является относительная диэлектрическая проницаемость материала изолятора εr, определяющая, во сколько раз она больше диэлектрической проницаемости вакуума ε0. Для плоского конденсатора с площадью обкладок А, разделенных зазором d, емкость конденсатора С дается выражением
где ε0 — диэлектрическая постоянная. Она имеет значение 8.85*10-12 Ф/м, С0 = ε0A/d — емкость конденсатора с вакуумом между пластинами. А относительная диэлектрическая проницаемость является таким фактором, который увеличивает емкость при наличии диэлектрика между обкладками конденсатора. Когда к конденсатору прикладывается переменное напряжение, там теряется часть энергии из-за переориентации атомов и молекул в диэлектрике. Эти диэлектрические потери выражаются тангенсом угла потерь tg δ, который дается соотношением
Чем меньше диэлектрические потери, тем меньше осцилляции зарядов с рассеянием энергии диэлектрика в виде тепловой энергии.
Если напряжение на конденсаторе увеличивать от нуля, то ток между обкладками будет увеличиваться незначительно до некоторого значения, определяемого пробивным напряжением, когда наступает пробой — необратимое разрушение твердого диэлектрика под действием поля и потеря им изолирующих свойств. После этого ток резко увеличивается. Напряженность электрического поля, при которой наступает пробой, называют электрической прочностью. Поскольку напряженность электрического поля равна градиенту напряжения, то электрическая прочность — это напряжение пробоя, деленное на толщину диэлектрика, к которому приложено напряжение.
2. Свойства
Электропроводность
В таблице 1 приведены удельные сопротивления и проводимости ряда обычно применяемых твердых металлов и сплавов при температуре около 20°С. Отметим, что проводимость — это обратная величина сопротивления, и она имеет единицу размерности сименс (См). Удельная электропроводность — тоже величина, обратная удельному сопротивлению, имеет единицу размерности См/м. В технике удельную проводимость часто выражают в процентах по отношению к удельной проводимости отожженной меди при 20°С. Такие значения указывают как значения IACS. В таблице 2 приведены значения сопротивлений обычно применяемой металлической проволоки, а в таблице 3 — удельные сопротивления изоляторов.
Таблица 1 - Удельные сопротивления и проводимости металлов и сплавов при 20°С
| Материал | Удельное сопротивление,108 Ом*м | IACS проводимость, % |
|---|---|---|
| Алюминий (99,9996%) | 2.65 | 64.9 |
| Латунь патронная (70%) | 6.2 | 28 |
| желтая | 6.4 | 27 |
| Константан (55% Cu, 45% Ni) | 49.9 | 3.5 |
| Медь (>99.90%, электролитическая) | 1.71 | 101 |
| (>99.95%, бескислородная) | 1.71 | 101 |
| проволока, 1% Cd | 2.2 | 80 |
| сплав, 15% Zn | 4.7 | 37 |
| сплав, 20% Zn | 5.4 | 32 |
| сплав, 2% Ni | 5.0 | 35 |
| сплав, 6% Ni | 9.9 | 17 |
| Золото | 2.35 | 75 |
| Железо (99.99%) | 9.7 | 17.7 |
| углеродистая сталь, 0.65 С | 18 | 9.5 |
| Манганин, 87% Cu, 13% Mn | 48.2 | 3.5 |
| Нихном, 80% Ni, 20% Cu | 108 | 1.6 |
| Никель, 99.8% | 8.0 | 23 |
| Фосфорная бронза, 3% | 8.6 | 20 |
| Платина | 10.6 | 16 |
| сплав, 10% Ir | 25 | 7 |
| сплав, 10% Rb | 43 | 4 |
| Серебро | 1.59 | 106 |
| сплав, 10% Cu | 2 | 85 |
| сплав, 15% Cd | 4.9 | 35 |
| Сталь легированная | 56 | 3.1 |
| 17% Co | 28 | 6.3 |
| Вольфрам | 5.65 | 30 |
Таблица 2 - Сопротивление проволоки при 20°С
| Нормальный сортамент проволоки | Диаметр, мм | Сопротивление, Ом*м | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Медь | Манганин | Константан | Нихром | ||
| 12 | 2.642 | 0.00312 | 0.076 | 0.090 | 0.197 |
| 14 | 2.032 | 0.00532 | 0.128 | 0.151 | 0.333 |
| 16 | 1.626 | 0.00831 | 0.200 | 0.235 | 0.520 |
| 18 | 1.219 | 0.0148 | 0.355 | 0.420 | 0.920 |
| 20 | 0.914 | 0.0263 | 0.630 | 0.745 | 1.65 |
| 22 | 0.711 | 0.0434 | 1.05 | 1.23 | 2.72 |
| 24 | 0.559 | 0.0703 | 1.69 | 2.00 | 4.40 |
| 26 | 0.457 | 0.105 | 2.53 | 3.00 | 6.60 |
| 28 | 0.376 | 0.155 | 3.75 | 4.40 | 9.70 |
| 30 | 0.315 | 0.221 | 5.30 | 6.30 | 13.9 |
Таблица 3 - Удельные сопротивления изоляторов при 20°С
| Материал | Удельное сопротивление, Ом*м |
|---|---|
| Керамика | |
| глиноземная | 109-1012 |
| фарфоровая | 1010-1012 |
| Алмаз | 1010-1011 |
| Стекло | |
| натровая известь | 109-1011 |
| пирекс | 1012 |
| Эластомеры | |
| бутил | 1015 |
| натуральная резина | 1013-1015 |
| полиуретан | 1010 |
| Слюда | 1011-1015 |
| Бумага (сухая) | 1010 |
| Полимеры | |
| акрилак | 1012-1014 |
| ацетат целлюлюзы | 108-1012 |
| меламин | 1010 |
| полиамид (нейлон) | 1010-1013 |
| полипропилен | 1013-1015 |
| полиэтилен | |
| высокой плотности | 1014-1015 |
| низкоей плотности | 1014-1018 |
| поливинилхлорид | |
| жесткий | 1012-1014 |
| гибкий | 109-1013 |
Ширина запрещенной зоны полупроводников
В таблице 4 приведены значения ширины запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости для чистых полупроводниковых элементов и соединений.
Таблица 4 - Значение ширины запрещенной зоны при 300 К чистых полупроводниковых элементов и соединений
| Материал | Ширина запрещенной зоны, эВ |
|---|---|
| Элементарные полупроводники | |
| Кремний | 1.12 |
| Германий | 0.66 |
| Соединений III-V | |
| Аоенид галлия GaAs | 1.43 |
| Фосифид галлия GaP | 2.24 |
| Антимонид галлия GaSb | 0.72 |
| Арсенид индия InAs | 0.33 |
| Фосфид индия InP | 1.29 |
| Антимонид индия InSb | 0.17 |
| Арсенид алюминия AlAs | 2.16 |
| Андимонид алюминия AlSb | 1.58 |
| Соединений II-VI | |
| Сульфид кадмия CdS | 2.42 |
| Селенид кадмия CdSe | 1.70 |
| Сульфид цинка ZnS | 3.68 |
| Селенид цинка ZnSe | 2.7 |
| Соединений IV-V | |
| Сульфид свинца PbS | 0.41 |
| Селенид свинца PbSe | 0.27 |
| Теллурид свинца PbTe | 0.31 |
| Теллурид олова SnTe | 0.18 |
Свойства диэлектриков
В таблице 5 приведены типичные значения относительной диэлектрической проницаемости, коэффициентов диэлектрических потерь, а также диэлектрической прочности для обычно применяемых диэлектриков. Относительная диэлектрическая проницаемость и коэффициенты диэлектрических потерь зависят от частоты. Данные значения нормированы для типичных частот 50/60 Гц.
Таблица 5 - Свойства обычных диэлектриков
| Материал | Относительная диэлекртическая проницаемость | Коэффициент диэлектрических потерь | Электрическая прочность, 106 В/м |
|---|---|---|---|
| Глинозем | 9-6.5 | 0.002 | 6 |
| Акрилик | 3.2 | 0.02 | 18 |
| Ацетат целлюлюзы | 3.5-7.5 | 0.01-0.1 | 12-24 |
| Эпоксидная смола | 3.6 | 0.02 | 18 |
| Стекло, натровая известь | 7 | 0.01 | 10 |
| Меламин | 7 | 0.04 | 15 |
| Слюда | 7 | 0.001 | 40 |
| Бумага | 5 | 0.1 | 16 |
| Полиамид | |||
| нейлон 6.6 | 3.6-4.0 | 0.01 | 14 |
| нейлон 6.10 | 4.0-7.6 | 0.05 | - |
| Поликарбонат | 2.8 | 0.0003 | 16 |
| Полиэтилен | 2.3 | 0.0001 | 16 |
| Полипропилен | 2.5-2.7 | 0.0001 | 20-28 |
| Полистирол высокой ударной стойкости | 2.5-2.7 | 0.0001 | 20-28 |
| 2.5-3.5 | 0.004 | 20 | |
| Поливинилхлорид | |||
| гибкий | - | 0.1 | 12-40 |
| жесткий | 5-9 | 0.01 | 17-40 |
| PTFE | 3.4 | 0.0001 | 16 |
| Каучук натуральный | 4-3.2 | 0.02 | 20 |
| Вакуум | 1 | 0 | - |
| Воздух (сухой) | 1 | 0 | 3 |
| Вода | 80 | ~0.1 | - |