Проводниковые материалы. 3

Введение 

В зависимости  от характера действия на тела электрического поля их можно разделить на проводники, диэлектрики и полупроводники. Свойства тел и поведение их в электрическом  поле определяются строением и расположением  атомов в телах. В состав атомов входят электрически заряженные частицы: положительные - протоны, отрицательные - электроны. В нормальном состоянии атом электрически нейтрален, так как число протонов, входящих в состав ядра атома, равно числу электронов, вращающихся вокруг ядра и образующих «электронные оболочки» атома. Электроны внешней валентной оболочки определяют электропроводность вещества. Энергетические уровни внешних валентных электронов образуют валентную, или заполненную зону. В этой зоне электроны находятся в устойчивом связанном состоянии. Чтобы освободить какой-либо электрон этой зоны, необходимо затратить некоторую энергию. Следовательно, электроны, находящиеся в свободном состоянии, занимают более высокие энергетические уровни. Зона более высоких энергетических уровней, расположенная выше валентной зоны и отделенная от нее запрещенной зоной, объединяет незаполненные, или свободные, энергетические уровни и называется зоной проводимости или зоной возбуждения. Чтобы электрон перенести из валентной зоны в зону проводимости, необходимо ему сообщить извне энергию. Ширина запретной зоны, которую должен преодолеть электрон, чтобы перейти из устойчивого состояния в свободное состояние (в зону проводимости), является одним из главных критериев разделения тел на проводники, полупроводники и диэлектрики. 

1. Проводниковые  материалы 
 

1.1. Общие сведения 
 

В качестве проводников  электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. К проводниковым материалам в электротехнике относятся металлы, их сплавы, контактные металлокерамические композиции и электротехнический уголь. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы, характеризующиеся электронной проводимостью; основной параметр для них - удельное электрическое сопротивление в функции температуры. 

Диапазон удельных сопротивлений металлических проводников  весьма узок и составляет от 0,016 мкОм_м  для серебра до 1,6 мкОм_м для  жаростойких железохромоалюминиевых сплавов. Электрическое сопротивление графита с увеличением температуры проходит через минимум с последующим постепенным повышением. 

По роду применения проводниковые материалы подразделяются на группы: 

проводники с  высокой проводимостью - металлы  для проводов линий электропередачи и для изготовления кабелей, обмоточных и монтажных проводов для обмоток трансформаторов, электрических машин, аппаратуры и пр.; 

конструкционные материалы - бронзы, латуни, алюминиевые  сплавы и т.д., применяемые для  изготовления различных токоведущих частей; 

сплавы высокого сопротивления - предназначаемые для  изготовления дополнительных сопротивлений  к измерительным приборам, образцовых сопротивлений и магазинов сопротивлений, реостатов и элементов нагревательных приборов, а также сплавы для термопар, компенсационных проводов и т.п.; 

контактные материалы - применяемые для пар неразъемных, разрывных и скользящих контактов; 

материалы для  пайки всех видов проводниковых  материалов. 

Механизм прохождения  тока в металлах обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. 

Электрическое сопротивление проводников 

Электрическое сопротивление обусловлено тем, что свободные электроны при дрейфе взаимодействуют с положительными ионами кристаллической решетки металла. При повышении температуры учащаются соударения электронов с ионами, поэтому сопротивление проводников зависит от температуры. Сопротивление проводников зависит от материала проводника, т.е. строение его кристаллической решетки. Для однородного цилиндрического проводника длиной l и площадью поперечного сечения S сопротивление определяется по формуле 

R = ?_l/S (1.) 

где ?=RS/l - удельное сопротивление проводника (сопротивление однородного цилиндрического проводника, имеющего единичную длину и единичную площадь поперечного сечения). 

Единица сопротивления - Ом. 

1 Ом: Ом - сопротивление  проводника, по которому при напряжении 1 В течет ток 1 Ом=1 В/А. 

Величина ?=1/?, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической проводимостью  проводника. 

Единица электрической  проводимости - сименс (См). 

Сименс - электрическая  проводимость проводника сопротивлением 1 Ом, т.е. 1 См=1 Ом??. Из формулы (1.1) следует, что единицей удельного сопротивления является Ом-метр (Ом _м).  

Таблица 1.1 Удельное сопротивление наиболее распространенных проводников 

Материал ?, 10? Ом•м Характеристика материала  

Серебро 1,6 Наилучший  проводник 

Медь 1,7 Применяется наиболее часто 

Алюминий 2,9 Применяется  часто 

Железо 9,8 Применяется  редко  
 
 

Удельное электрическое  сопротивление проводника зависит  не только от рода вещества, но и от его состояния. Зависимость удельного  сопротивления ? от температуры выражается формулой 

? = ?0 (1+ ?t), (1.2) 

где ?0 - удельное сопротивление при 0°C; t - температура (по шкале Цельсия); ? - температурный  коэффициент сопротивления, характеризующий  относительное изменение сопротивления  проводника при нагревании его на 1°C или 1 K: 

? = (?-?0)/?0t. (1.3) 

Температурные коэффициенты сопротивления веществ  различны при разных температурах. Однако для многих металлов изменение ? с температурой не очень велико. Для всех чистых металлов ? ? 1/273 K?? (или  °C??). 

Зависимость сопротивления металлов от температуры положена в основу устройства термометров сопротивления. Они используются как при очень высоких, так и при очень низких температурах, когда применение жидкостных термометров невозможно. 

Из понятия  о проводимости проводника следует, что чем меньше сопротивление проводника, тем больше его проводимость. При нагревании чистых металлов их сопротивление увеличивается, а при охлаждении - уменьшается.  

В 1911 г. Голландский  физик Камерлинг-Оннес провел опыты  с ртутью, которую можно получить в чистом виде. Он столкнулся с новым, совершенно неожиданным явлением. Удельное сопротивление ртути при температуре 4,2 K (около -269°C) резко упало до такой малой величины, что его практически стало невозможно измерить. Это явление обращения электрического сопротивления в нуль Камерлинг-Оннес назвал сверхпроводимостью. 

В настоящее  время сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов, большого числа сплавов, некоторых  полупроводников и полимеров. Температура Tкр перехода проводника в сверхпроводящее состояние для чистых металлов лежит в пределах от 0,14 K для иридия до 9,22 K для ниобия.  

Движение электронов в металле, находящемся в состоянии  сверхпроводимости, является до такой  степени упорядоченным, что электроны, перемещаясь по проводнику, почти не испытывают соударений с атомами и ионами решетки. Полное объяснение явления сверхпроводимости можно дать с позиций квантовой механики. 

Кроме чисто  электротехнических свойств, для проведения необходимой технологической обработки и обеспечения заданных сроков службы в эксплуатации, проводниковые материалы должны обладать достаточной нагревостойкостью, механической прочностью пластичностью. 
 

1.2. Медь 
 

Чистая медь по электрической проводимости занимает следующее место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалом для проводов. 

На воздухе  медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем окиси CuO, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают сернистый газ SO2, сероводород H2S, аммиак NH3, окись азота NO, пары азотной кислоты и некоторые другие реактивы. 

Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди, делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяют лишь две ее марки МО и М1. 

Почти все изделия  из проводниковой меди изготавливаются  путем проката, прессования и  волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром  до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и  медная фольга толщиной до 0,008 мм. 

Проводниковая медь применяется как в отожженном после холодной обработки виде (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ). 

При температурах термообработки выше 900°C вследствие интенсивного роста зерна механические свойства мели резко ухудшаются. 

В целях повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в пределах 0,07 - 0,15%, а также магнием, кадмием, цирконием и другими элементами. 

Медь с присадкой  серебра применяется для обмоток  быстроходных и нагревостойких машин  большой мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин. 

1.3. Латуни 
 

Сплавы меди с цинком, называемые латунями, широко используются в электротехнике. Цинк растворяется в меди в пределах до 39%. 

В различных  марках латуни содержание цинка может  доходить до 43%. Латуни, содержащие до 39% цинка, имеют однофазную структуру  твердого раствора и называются ?-латунями. Эти латуни обладают наибольшей пластичностью, поэтому из них изготавливают детали горячей или холодной прокаткой и волочением: листы, ленты, проволоку. Без нагрева из листовой латуни методом глубокой вытяжки и штамповкой можно изготовить детали сложной конфигурации. 

Латуни с содержанием  цинка свыше 39% называют ?+?-латунями или двухфазными и применяют главным образом для фасонных отливок. 

Двухфазные латуни являются более твердыми и хрупкими и обрабатываются давлением только в горячем состоянии. 

Присадка к  латуням олова, никеля и марганца повышает механические свойства и антикоррозионную устойчивость, а добавки алюминия в композиции с железом, никелем и марганцем сообщают латуням кроме улучшения механических свойств и коррозионной стойкости высокую твердость. Однако присутствие в латунях алюминия затрудняет пайку, а проведение пайки мягкими припоями становится практически невозможным. 

Латуни марок  Л68 и Л63 вследствие высокой пластичности хорошо штампуются и допускают гибку, легко паяются всеми видами припоев. В электромашиностроении широко применяются для различных токоведущих частей; 

латуни марок  ЛС59-1 и ЛМЦ58-2 применяются для  изготовления роторных клеток электрических  двигателей и для токоведущих  деталей, изготовленных резанием и  штамповкой в горячем состоянии; хорошо паяются различными припоями; 

латунь ЛА67-2,5 применяется для литых токоведущих деталей повышенной механической прочности и твердости, не требующих пайки мягкими припоями; 

латуни ЛК80-3Л  и ЛС59-1Л широко применяются для  литых токоведущих деталей электрической  аппаратуры, для щеткодержателей  и для заливки роторов асинхронных двигателей. Хорошо воспринимают пайку различными припоями. 

1.4. Проводниковые  бронзы 
 

Проводниковые бронзы относятся к медным сплавам, необходимость применения которых  в основном вызвана недостаточной  в ряде случаев механической прочностью и термической устойчивостью чистой меди. 

Общая номенклатура бронз весьма обширна, но высокой  электропроводностью обладают лишь немногие марки бронз. 

Кадмиевая бронза относится к наиболее распространенным проводниковым бронзам. Из числа  всех марок кадмиевая бронза обладает наивысшей электрической проводимостью. Вследствие повышенного сопротивления истиранию и более высокой нагревостойкости эта бронза широко применяется для изготовления троллейных проводов и коллекторных пластин; 

бериллиевая бронза относится к сплавам, приобретающим прочность в результате стирания. Она обладает высокими упругими свойствами, устойчивыми при нагревании до 250°C, и электрической проводимостью в 2 - 2,5 раза большей, чем проводимость других марок бронз общего назначения. Эта бронза нашла широкое применение для изготовления различных пружинных деталей, выполняющих одновременно и роль проводника тока, например: токоведущие пружины, отдельные виды щеткодержателей, скользящие контакты в различных приборах, штепсельные приборы и т.п.; 

фосфористая бронза обладает высокой прочностью и хорошими пружинными свойствами, из-за малой  электропроводности применяется для  изготовления пружинных деталей  с низкими плотностями тока. 

Литые токоведущие  детали изготовляются из различных  марок машиностроительных литьевых бронз с проводимостью в пределах 8-15% проводимости чистой меди. Характерной особенностью бронз является малая усадка по сравнению с чугуном и сталью и высокие литейные свойства, поэтому они применяются для отливки различных токоведущих деталей сложной конфигурации, предназначенных для электрических машин и аппаратов. 

Все марки литьевых бронз можно подразделить на оловянные  и безоловянные, где основными  легирующими элементами являются Al, Mn, Fe, Pb, Ni. 

1.6. Алюминий 
 

Характерными свойствами чистого алюминия является его малый удельный вес, низкая температура плавления, высокая тепловая и электрическая проводимость, высокая пластичность, очень большая скрытая теплота плавления и прочная, хотя и очень тонкая пленка окиси, покрывающая поверхность металла и защищающая его от проникновения кислорода внутрь. 

Хорошая электрическая  проводимость обеспечивает широкое  применение алюминия в электротехнике. Так как плотность алюминия в 3,3 раза ниже, чем у меди, а удельное сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем у меди, то алюминий, на единицу массы имеет вдвое более высокую проводимость, чем медь. 

Сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы, находящиеся в воздухе промышленных районов, не оказывают заметного  влияния на скорость коррозии алюминия. Действие водяного пара на алюминий также незначительно. В контакте с большинством металлов и сплавов, являющихся благородными по электрохимическому ряду потенциалов, алюминий служит анодом и, следовательно, коррозия его в электролитах будет прогрессировать. 

Чтобы избежать образования гальванопар во влажной  атмосфере, место соединения алюминия с другими металлами герметизируется  лакировкой или другим путем. 

Длительные испытания  проводов из алюминия показали, что  они в отношении устойчивости против коррозии не уступают медным. 
 
 

2. Полупроводники. Полупроводниковые приборы 
 

2.1. Общие сведения 
 

Полупроводниками  называют вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное  значение между удельными проводимостями металлов и диэлектриков. Полупроводники одновременно являются плохими проводниками и плохими диэлектриками. Граница между полупроводниками и диэлектриками условна, так как диэлектрики при высоких температурах могут вести себя как полупроводники, а чистые полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. В металлах концентрация электронов практически не зависит от температуры, а в полупроводниках носители заряда возникают лишь при повышении температуры или при поглощении энергии от другого источника. 

Типичными полупроводниками являются углерод (C), германий (Ge) и кремний (Si). Германий - это хрупкий серовато-белый элемент, открытый в 1886 году. Источником порошкообразной двуокиси германия, из которой получают твердый чистый германий, являются золы некоторых сортов угля. 

Кремний был  открыт в 1823 году. Он широко распространен  в земной коре в виде кремнезема (двуокиси кремния), силикатов и алюмосиликатов. Двуокисью кремния богаты песок, кварц, агат и кремень. Из двуокиси кремния  химическим путем получают чистый кремний. Кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом. 

Рассмотрим подробнее  образование электронов проводимости в полупроводниках на примере  кремния. Атом кремния имеет порядковый номер Z=14 в периодической системе  Д. И. Менделеева. Поэтому в состав его атома входят 14 электронов. Однако только 4 из них находятся на незаполненной внешней оболочке и являются слабо связанными. Эти электроны называются валентными и обуславливают четыре валентности кремния. Атомы кремния способны объединять свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью так называемой ковалентной связи (рис. 2.1). При ковалентной связи валентные электроны совместно используются различными атомами, что приводит к образованию кристалла. 

При повышении  температуры кристалла тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате этого часть электронов, ранее участвовавших в образовании валентных связей, отщепляется и становится электронами проводимости. При наличии электрического поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток. 

Рис. 2.1 

Однако, при освобождении электрона в кристаллической  решетке образуется незаполненная  межатомная связь. Такие «пустые» места  с отсутствующими электронами связи  получили название «дырок». Возникновение дырок в кристалле полупроводника создает дополнительную возможность для переноса заряда. Действительно, дырка может быть заполнена электроном, перешедшим под действием тепловых колебаний от соседнего атома. В результате на этом месте будет восстановлена нормальная связь, но зато в другом месте появится дырка. В эту новую дырку в свою очередь может перейти какой-либо из других электронов связи и т.д. Последовательное заполнение свободной связи электронами эквивалентно движению дырки в направлении, противоположном движению электронов. Таким образом, если при наличии электрического поля электроны перемещаются против поля, то дырки будут двигаться в направлении поля, т.е. так, как двигались бы положительные заряды. Следовательно, в полупроводнике имеются два типа носителей тока - электроны и дырки, а общая проводимость полупроводника является суммой электронной проводимости (n-типа, от слова negative) и дырочной проводимости (p-типа, от слова positive). 

Наряду с переходами электронов из связанного состояния в свободное существуют обратные переходы, при которых электрон проводимости улавливается на одно из вакантных мест электронов связи. Этот процесс называют рекомбинацией электрона и дырки. В состоянии равновесия устанавливается такая концентрация электронов (и равная ей концентрация дырок), при которой число прямых и обратных переходов в единицу времени одинаково. 

Рассмотренный процесс проводимости в чистых полупроводниках  называется собственной проводимостью. Собственная проводимость быстро возрастает с повышением температуры, и в этом существенное отличие полупроводников от металлов, у которых с повышением температуры проводимость уменьшается. Все полупроводниковые материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. 

Чистые полупроводники являются объектом, главным образом, теоретического интереса. Основные исследования полупроводников связаны с влиянием добавления примесей в чистые материалы. Без этих примесей не было бы большинства полупроводниковых приборов. 

Чистые полупроводниковые материалы, такие как германий и кремний, содержат при комнатной температуре небольшое количество электронно-дырочных пар и поэтому могут проводить очень маленький ток. Для увеличения проводимости чистых материалов используется легирование. 

Легирование - это  добавление примесей в полупроводниковые  материалы. Используются два типа примесей. Примеси первого типа - пятивалентные - состоят их атомов с пятью валентными электронами, например, мышьяк и сурьма. Примеси второго типа - трехвалентные - состоят из атомов с тремя валентными электронами, например, индий и галлий. 
 

Когда чистый полупроводниковый  материал легируется пятивалентным  материалом, таким как мышьяк (As), то некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка (рис. 2.2). Атом мышьяка вводит четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным. Атом мышьяка называется донорским, поскольку он отдает свой лишний электрон. В легированном полупроводниковом материале находится достаточное количество донорских атомов, а следовательно и свободных электронов, для поддержания тока. 

При комнатной  температуре количество дополнительных свободных электронов превышает  количество электронно-дырочных пар. Это означает, что в материале больше электронов, чем дырок. Поэтому электроны называют основными носителями. Дырки называют неосновными носителями. Поскольку основные носители имеют отрицательный заряд, такой материал называется полупроводником n-типа. 

Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентными атомами, например атомами индия (In), то эти атомы разместят свои три валентных электрона среди трех соседних атомов. Это создаст в ковалентной связи дырку. 

Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки называются акцепторными. 
 

При обычных  условиях количество дырок в таком  материале значительно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются основными носителями, а электроны - неосновными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником p-типа. 

Полупроводниковые материалы n- и p-типов имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее полупроводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление. 

Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется p-n переходом и обладает очень важным свойством - его сопротивление зависит от направления тока. Отметим, что такой контакт нельзя получить, прижимая друг к другу два полупроводника. p-n переход создается в одной пластине полупроводника путем образования в ней областей с различными типами проводимости. Методы получения p-n переходов описаны ниже. 

Итак, в куске  монокристаллического полупроводника на границе между двумя слоями с различного рода проводимостями образуется p-n переход. На ней имеет место значительный перепад концентраций носителей зарядов. Концентрация электронов в n-области во много раз больше их концентрации в p-области. Вследствие этого электроны диффундируют в область их низкой концентрации (в p-область). Здесь они рекомбинируют с дырками и таким путем создают пространственный отрицательный заряд ионизированных атомов акцептора, не скомпенсированный положительным зарядом дырок. 

Одновременно  происходит диффузия дырок в n-область. Здесь создается не скомпенсированный зарядом электронов пространственный положительный заряд ионов донора. Таким образом, на границе создается двойной слой пространственного заряда, обедненный основными носителями тока. В этом слое возникает контактное электрическое поле Eк, препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок из одной области в другую. 

Контактное поле поддерживает состояние равновесия на определенном уровне. Но и в этом случае под действием тепла небольшая  часть электронов и дырок будет продолжать проходить через потенциальный барьер, обусловленный пространственными зарядами, создавая ток диффузии. Однако одновременно с этим под действием контактного поля неосновные носители заряда p- и n-областей (электроны и дырки) создают небольшой ток проводимости. В состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются. 

Если к p-n переходу подключить внешний источник тока, то напряжение указанной на обратной полярности приведет к появлению  внешнего поля E, совпадающего по направлению  с контактным полем Eк. В результате ширина двойного слоя увеличится, и тока за счет основных носителей практически не будет. В цепи возможен лишь незначительный ток за счет неосновных носителей (обратный ток Iобр). 

При включении  напряжения прямой полярности направление внешнего поля противоположно направлению контактного поля. Ширина двойного слоя уменьшится, и в цепи возникнет большой прямой ток Iпр. Таким образом, p-n переход обладает ярко выраженной односторонней проводимостью. Это выражает его вольтамперная характеристика.