В любом теле при приложении напряжения должен протекать ток в соответствии с выражением, определяющим плотность тока
(7.1)
Здесь ni - концентрация носителей заряда i-ого сорта, qi - значение заряда, vi - скорость заряда. Определяющий параметр в этом выражении - ni. Как уже упоминалось во второй лекции ni велико для металлов, т.к. нет энергетического барьера для выхода электронов, ni - 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.
7.2. Резистивные материалы. Углеродные композиты, бетэл, ЭКОМ, электропроводящие полимеры.