Глава 5. Электротехнические материалы

Электротехническими называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному по­лю и применяемые в технике с учетом этих свойств.

Электротехнические материалы в магнитном поле подразде­ляются на сильномагнитные (магнетики), и слабомагнитные, а в электрическом поле – на проводниковые, диэлектрические и полу­проводниковые. Различие между проводниками, диэлектриками и полупровод­никами наиболее наглядно иллюстрируется с помощью энергети­ческих диаграмм зонной теории твердого тела.

Как известно, электрон в изолированном атоме может находить­ся лишь на строго определенных дискретных энергетических уров­нях, которые отделены друг от друга значениями энер­гии, которых электрон в данном атоме, этих значений иметь не может. Дискрет­ность значений энергии электронов в изолированном атоме подтвер­ждается характером спектров поглощения и излучения различных веществ в газообразном состоянии, когда атомы отстоят друг от друга на больших расстояниях, т. е. определенными спектраль­ными линиями, наличие которых объясняется переходом электро­на с одного уровня на другой.

Часть энергетических уровней заполнена электронами в нормаль­ном, невозбужденном состоянии атома, на других электроны мо­гут находиться только тогда, когда атом подвергнется внешнему энергетическому воздействию, т. е. когда он возбужден. Стремясь перейти к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент перехода электронов с возбужденных уровней на уровни, где его энергия минимальна.

При образовании кристалла благодаря сближению одинаковых атомов на расстояния близкие к расстоянию между атомами в кри­сталлической решетке, начинает проявляться взаимодействие ато­мов между собой. В этом случае все энергетические уровни, как за­полненные электронами, так и незаполненные, расщепляются. Таким образом, из отдельных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуется целая полоса – зона энергетиче­ских уровней (рис. 5.1). Уровней в зоне столько, сколько атомов в данном кристаллическом теле, а в кристалле столько таких зон, сколько энергетических уровней в изолированном атоме этого вещества. При этом энергетические зоны, соответствующие вну­тренним электронам, будут более узкими, чем зоны, соответствую­щие внешним электронам. Объясняется это тем, что внутренние электроны более тесно связаны с атомами и влияние на них со­седних атомов соответственно слабее.

а) б)

Рис. 5.1. Энергетическая диаграмма изолированного атома (а) и неметаллического твердого тнла (б). Горизонтальные линии соответствуют разрешенным значениям энергии электронов.

Обычно ширина зоны – порядка 1 эВ (электрон-вольт). А в кубическом метре твердого тела вещества содержится примерно 10²⁸ атомов, то уровни в зоне кристалла размером 1 см³ отстоят друг от друга на 10^-22 эВ. Это значение энергии гораздо меньше тех внешних энергетических воздействий, которым обычно подвер­гаются материалы (тепловой энергии, энергии световых квантов и т. д.). Следовательно, если в зоне не все энергетические уровни заняты электронами, то электроны могут, повышая свою энергию за счет энергии внешних воздействий, переходить на более высокие свобод­ные уровни. Такие электроны, находящиеся внутри частично заполненной энергетической зоны, называются свободными электронами в твердом теле.

Направленные перемещения свободных электронов в пространстве будет происходить за счет изменения их энергии при взаимодействии на твердое тело электрического поля, что обуславливает протекание электрического тока.

Энергетические зоны, образованные совокупностью энергетиче­ских уровней, называют зонами разрешенных значений энергии или разрешенными зонами. Эти зоны обычно отделены друг от друга запрещенными зонами, т. е. промежутками значений энер­гии, которыми электрон в данном кристалле обладать не может.

Разрешенные зоны, соответствующие внутренним электронным орбитам в атомах твердого тела, обычно полностью заполнены элек­тронами и поэтому не рассматриваются при изучении электриче­ских свойств твердых тел.

Рис. 5.2. Картина энергических зон: а) – в изоляторе; б) – в полупроводнике; в) – в металле.

Электрический ток в твердых телах может быть обусловлен электронами, перемещающимися в зоне, со­ответствующей валентной электронной оболочке, - валентной зо­не, или электронами в разрешенной зоне, расположенной над ва­лентной – в зоне проводимости. У проводников и твердых диэлек­триков валентная зона при температуре абсолютного нуля и втемноте полностью заполнена электронами, а отделенная от нее за­прещенной зоной зона проводимости полностью свободна (рис. 5.2). У полупроводников ширина запрещенной зоны обычно меньше 3 эВ. При отсутствии в полупроводнике свободных электронов при­ложенное к нему электрическое поле не вызовет тока. Если электрон в валентной зоне приобретает (тепловым, оптическим или иным путем) достаточную энергию для преодоления запрещенной зоны, то он оказывается в зоне проводимости. Среди электронов в валент­ной зоне образовалось вакантное место. Если приложено внешнее электрическое поле, то один из электронов (в валентной зоне) в со­седнем атоме приобретает достаточную энергию, чтобы занять ва­кантное место, оставив вместо себя также вакантное место. Таким образом, соседний электрон при воздействии внешнего поля заполнит вновь созданную вакансию, т. е. начнется непрерывный процесс, рассматриваемый как движение вакантного места в валентной зоне, которое обычно называют дыркой. Следует отметить, что дырка – это не просто отсутствие электрона, а отсутствие его в ковалентной связи между атомами в кристалле. Ковалентная связь образуется между электронами соседних атомов, каждый из которых владеет этими электронами совместно с другими атомами. Все электроны в валентной зоне – это электроны, участвующие в ковалентных связях. О движении дырок в валентной зоне, более удобно говорить, чем о движении электронов в этой зоне. Так как дырка – это отсутствие электрона в ковалентной связи, то можно связать отсутствие отрицательного заряда с наличием положительного заряда, т.е. в дальнейшнм будем рассматривать оба вида носителей тока – электроны и дырки.