Простые полупроводники

Полупроводники при комнатной температуре занимают по удельному сопротивлению, имеющему значения от 10^-6 до 10⁹ Ом^.м, промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Для них характерна чувствительность к свету, электрическому и магнитному полю, радиационному воздействию, давлению. Таким образом электропроводность полупроводников также зависит от внешних энергетических воздействий (температура, электрическое поле, излучение механические усилия). На этой основе разработаны различные полупроводниковые приборы: мощные или маломощные выпрямители, терморезисторы, нелинейные резисторы (варисторы), фоторезисторы, тензорезисторы и так далее.Используемые в практике полупроводниковые материалы делятся на простые полупроводники (элементы), полупроводниковые химические соединения, полупроводниковые комплексы и жидкие полупроводники.

Наиболее применяемые в технике простые полупроводники – германий, кремний и селен. Германий и кремний имеют кубическую структуру алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя соединениями, образуя с ними ковалентную связь.

С точки зрения применения в электротехнике к важнейшим относятся эффекты выпрямления, усиления (транзисторный эффект), Холла, Ганна, фотоэлектрический, термоэлектрический.

Электронно-дырочный p-n переход. Выпрямительными свойствами обладает лишь p-n переход и контакт полупроводника с другими металлами. p-n переход представляет собой границу, отделяющую друг от друга области с дырочной и электронной проводимостью в примесном полупроводнике. Переход должен быть непрерывным. На рисунке 27 показан нерезкий p-n переход для разомкнутой цепи. В цепи с переменным электрическим полем p-n переход работает как выпрямитель. вольт-амперная характеристика p-n перехода, которая описывается выражением

J=J_s ^. (e^qU/kT-1) ,

где J_s - ток насыщения (при обратном включении p-n перехода этот ток равен обратному току); U - приложенное напряжение; q/kT=40 В^-1 при комнатной температуре ( k– постоянная Больцмана,Т– температура).

Эффект Холла заключается в возникновении ЭДС Холла на гранях полупроводникового бруска с током, помещенного в магнитное поле. Величина ЭДС Холла определяется векторным произведением тока I и магнитной индукции B. Знак ЭДС Холла легко определить по правилу левой руки. Отогнув в сторону большой палец, найдем направление смещения основных носителей заряда для данного типа полупроводника. Рассчитывается ЭДС Холла так

U_x=R_x(IB/b) ,

где R_x - постоянная Холла R=-A/(nq) - для n-полупроводника, R=B/(pq) - для p-полупроводника, n и p концентрации электронов и дырок; A и B - коэффициенты, значения которых от 0.5 до 2.0 для различных образцов (в сильных полях или для вырожденных полупроводников A=B=1.0, для монокристаллических образцов с совершенной структурой A=B=3 /8).

Эффект Ганна - относится к эффектам сильного поля и заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник электрического поля высокой напряженности. Впервые этот эффект наблюдался на арсениде галлия GaAs и фосфиде индия InP. На основе этого эффекта разработаны приборы, генерирующие в диапазоне частот до сотен гигагерц.

Фотоэлектрический эффект. При облучении полупроводников светом в них можно возбудить проводимость. Фототок с энергией hn, большей или равной ширине запрещенной зоны DW_o, переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости. Образующаяся при этом пара электрон-дырка является свободной и участвует в создании проводимости. Эта добавочная проводимость называется фотопроводимостью. Основная проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей тока, называется темновой проводимостью

Карбоволокниты.

Карбоволокниты обладают низкими теплопроводностью и электрической проводимостью, но все же их теплопро­водность в 1,5-2 раза выше, чем у сте­клопластиков. Они имеют малый и ста бильный коэффициент трения и обла­дают хорошей износостойкостью. Тем­пературный коэффициент линейного расширения карбоволокнитов в интер­вале 20-120 °С близок к нулю. К недостаткам карбоволокнитов от­носят низкую прочность при сжатии и межслойном сдвиге. Специальная обработка поверхности волокон (окис­ление, травление, вискеризация) повы­шает эти характеристики

Слоистые пластики.

Широкое применение в электрических машинах, аппаратах, трансформаторах, приборах получили слоистые пластики, преимущественно электроизоляционного назначения. К слоистым пластикам относятся гетинакс и текстолит с разными наполнителями и древеснослоистые пластики.