Плёночные резистивные материалы

         ^{Хлоропреновый каучук (В странах бывшего СССР -наирит, за рубежом — неопрен) получается полимеризацией хлоропрена}

      ^{Это полярный (вследствие присутствия атомов хлора) материал с  невысокими электроизоляционными свойствами; зато он сравнительно стоек  к действию масла  и бензина, а также  озона и других окислителей, благодаря чему может применяться для защитных оболочек кабельных изделий, маслостойких прокладок и т. п. Он более устойчив к тепловому старению и менее проницаем для газов, чем НК.}

      ^{Бутадиен-нитрилакрильный  каучук (СКН) получается совместной полимеризацией бутадиена и акрилнитрила Н₂С=СН — СN.}

^{Он  также имеет дипольную  природу (из-за наличия  сильно полярных групп  —CN) и невысокие электроизоляционные свойства. Все синтетические каучуки углеводородного состава (СКВ, СКС, бутил каучук), как и НК, набухают и частично растворяются в нефтяных маслах; СКН и, как уже отмечалось, хлоропреновые каучуки более стойки к действию растворителей. Хлоропреновые каучуки обладают пониженной горючестью (не распространяют горение).}

      ^{Кремнийорганические каучуки. В основе строения молекулы такие каучуки имеют полисилоксановую цепочку. Они вулканизируются лишь при введении специальных добавок, например органических перекисей. Кремнийорганические каучуки обладают высокой нагревостойкостью (порядка +250°С) и хорошей холодостойкостью (сохраняют гибкость при температуре от -70 до -100°С) при хороших электроизоляционных свойствах, но имеют невысокие механические свойства, маcлостойки к действию растворителей и весьма дороги. По механическим свойствам рассмотренные выше каучуки могут быть разделены на две группы. Резины из каучуков первой группы дают относительно высокую прочность при растяжении даже, без добавления наполнителей. Резины из каучуков второй группы показывают высокий предел прочности при растяжении. Только при наличии в их составе активных наполнителей; каучуки второй группы не обладают способностью приобретать кристаллическое строение, как об этом упоминалось при описании НК. К каучукам первой группы относятся НК, хлоропреновые каучуки и бутил, а к каучукам второй группы  СКВ, СКС и кремнийорганические каучуки.}

      ^{Изделия из различных резин  изготовляются с  помощью прессования. Нанесение изоляции и защитных оболочек из резиновых смесей на кабельные изделия  производится чаще всего  на шприц-машинах, аналогичных  по своему устройству экструдерам, служащим для наложения  термопластов. Изолированные  или покрытые резиновой  смесью кабельные  изделия подвергаются вулканизации. Прогрессивным  способом является вулканизация на агрегатах непрерывной  вулканизации когда  провод или кабель непосредственно  после червячного пресса пропускается через имеющее несколько десятков метров в длину нагревательное устройство в котором резиновая смесь и вулканизируется.} 

      3.Опишите различные  виды электрической  проводимости полупроводников.  Собственная и примесная проводимость.

     Вещества  различают по их способности проводить электрический ток. Эта способность, в свою очередь, характеризуется величиной удельного электрического сопротивления или удельной. Значение электрической проводимости при нормальной температуре составляет для диэлектриков менее 10^-10 См/м, а для проводников—более 10⁴ См/м. Полупроводники занимают промежуточное положение, их удельная проводимость колеблется от 10^-9 до 10⁵ См/м. Эти границы довольно условны, к тому же в ряде случаев перекрываются. Поэтому такой чисто количественный подход к классификации веществ не отражает глубокого качественного различия между отдельными группами, принципиального отличия их электрических свойств.

     Для уточнения этих различий рассмотрим характер изменений удельной проводимости твердых тел при температуре, стремящейся к абсолютному нулю. Удельная  проводимость проводников при  этом  увеличивается, а многие металлы переходят в сверхпроводящее состояние, характеризующееся бесконечно большим значением электрической проводимости.

     Совершенно  иначе ведут себя полупроводники. При уменьшений температуры их удельная проводимость уменьшается, а при Т→0⁰К полупроводники вообще не проводят электрический ток, т. е. становятся диэлектриками. Зато при возрастании температуры электрическая проводимости  полупроводников резко увеличивается.

     Столь различный характер зависимости  проводимости проводников и полупроводников от температуры, очевидно, возможен лишь потому, что в проводниках появление свободных носителей заряда вызывается не изменением температуры, по присуще их внутреннему строению. А полупроводникам для появления в них свободных носителей заряда необходимо сообщить тепловую энергию. Соответственно такие носители заряда называют тепловыми или равновесными. Далее будет показано, что для появления в полупроводнике свободных носителей заряда не обязательно подводить к нему именно тепловую энергию. Каким бы иным образом ни была подведена дополнительная энергия (например, путем освещения, облучения, воздействия механической нагрузки, электрического поля и т. д.), в полупроводнике появятся дополнительные носители заряда, называемые в этих случаях неравновесными, и, следовательно, электропроводность полупроводника возрастает. Сильное влияние на электропроводность оказывает внутренняя структура полупроводников. Кроме того, введение в полупроводник даже незначительного количества атомов постороннего элемента обычно резко изменяет его электропроводность. Все это открывает широкие возможности для управления электрофизическими свойствами полупроводниковых материалов.

     Итак, полупроводник — это вещество, основным свойством которого является сильная зависимость его электропроводности от воздействия внешних факторов.

     Полупроводниковыми  свойствами обладает огромное количество самых разнообразных веществ. Все  полупроводники можно разделить на простые к сложные.

     Простым называют такой полупроводник, основной состав которого образован атомами одного химического элемента, К простым полупроводникам относят кремний, германии, селен, теллур, бор, углерод, фосфор, серу, и т.д.

     Структура сложных полупроводников образована атомами различных химических элементов. К этой группе относят твердые  растворы (например, кремния н германия) и химические соединения, обозначаемые А_х^m В_yⁿ. В этой формуле верхние индексы (m и n) означают номер группы периодической системы, в которую входит соответствующий элемент, а нижние (х и у) —-число атомов этого элемента в соединении. Например, полупроводник арсенид галлия GaAs относят к соединениям типа А^IIIВ^V.  Эта нестабильность электропроводности, зависящая от электрического тока в полупроводнике или температуры, освещенности, облучения ядерными частицами, воздействия электрических и магнитных полей, механических нагрузок и являются принципом, положенным в основу работы полупроводниковых приборов.

     Замечательным свойством полупроводников является также то, что они допускают  обратное преобразование электрической  энергии в световую, тепловую или механическую энергию. 

Собственная электропроводность полупроводников 

     Рассмотрим  причины столь странного характера  изменения электропроводности полупроводников на примере простых полупроводников — элементов IV группы периодической таблицы Д. И. Менделеева: углерода, кремния, германия.

     Эти элементы имеют на внешней электронной  оболочке по четыре электрона. Все они  при кристаллизации образуют алмазоподобную модификацию кубической решетки, в  которой каждый атом, расположенный  в узле кристаллической решетки, окружен четырьмя другими и связан с ними ковалентными связями. При этом каждый внешний электрон принадлежит двум атомам, в результате чего внешние оболочки атомов достраиваются до восьми электронов.

     Теперь  становится ясным, почему при Т→ 0⁰К  проводимость полупроводника стремится к нулю: это является следствием того, что все электроны участвуют в образовании ковалентных связей, и свободные носители заряда, создающие электропроводность, отсутствуют.

     Для того чтобы в полупроводнике появились свободные носители заряда, способные под действием электрического поля создавать электрический ток нужно сообщить электрону дополнительную энергию активации, для разрыва ковалентной связи, т.е., равную энергии разрыва ковалентной связи. Освободившийся электрон за счет тепловой энергии хаотически движется по объему полупроводника. При действии на полупроводник внешнего электрического поля электрон, обладая отрицательным зарядом, будет перемещаться в направлении, противоположном направлению внешнего поля, разгоняясь до скорости. Отношение средней скорости дрейфа электрона к напряженности поля называют подвижностью электрона.

   На месте оторвавшегося электрона  остается положительно заряженная незаполненная связь с зарядом, равным заряду электрона, которая получила название дырки проводимости. Дырку может занять электрон соседнего атома, причем для этого не понадобится разрывать еще одну связь. Это эквивалентно тому, что дырка переместится в обратном направлении, т. е. в направлении внешнего поля. Таким образом, разрыв одной ковалентной связи приводит к появлению в полупроводнике  сразу двух свободных носителей заряда: отрицательно заряженного электрона проводимости и положительно заряженной дырки проводимости. Этот процесс носит название генерации электронно-дырочных пар. Ясно, что концентрация свободных электронов n в единице объема равна концентрации дырок р и полупроводник в целом остается нейтральным. Полупроводник, в котором электропроводность возникает за счет разрыва собственных ковалентных связей, называют собственным. 

Примесьная электропроводность полупроводников 

     Лишь  идеальные полупроводниковые кристаллы  проводят электрический ток целиком за счет собственной электропроводности. В реальных, т. е. используемых на практике, полупроводниковых материалах преобладает примесьная электропроводность, которой гораздо легче управлять. Причиной возникновения примесьной электропроводности является несовершенство кристаллической структуры полупроводника, тесть наличие дефектов в его кристаллической решетке.

     Обратимся к энергетической диаграмме полупроводника (рис. 1). Дефекты кристаллической структуры вызывают появление дополнительных энергетических уровней, лежащих внутри запрещенной зоны. Поэтому энергия, необходимая для перехода электрона с дополнительного уровня в зону проводимости или из валентной зоны на дополнительный уровень, оказывается гораздо меньше ширины запрещенной зоны.

Рис   1.  Схематическое изображение    зонной структуры примесьного    полупроводника. 
 
 
 
 
 

     И в том, и в другом случае появляется дополнительный носитель заряда, но только один: в первом случае – электрон проводимости, во втором – дырка  проводимости.

     Дефекты, вызывающие появление в полупроводнике дополнительных свободных электронов, называют донорными, а обусловленную ими электропроводность называют электронной. Их энергетические уровни  обычно лежат вблизи дна зоны проводимости. Дефекты, вызывающие появление в полупроводнике дополнительных дырок проводимости, называют акцепторными, а обусловленную ими электропроводность называют дырочной. Энергетические уровни акцепторных дефектов, как правило, лежат вблизи потолка валентной зоны. Соответственно полупроводники с преобладанием электронной электропроводности называют электронными (или n-типа), а полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности —дырочными (или р-типа).

     Рассмотрим  наиболее важный в практическом отношении  тип дефектов кристаллической структуры  — наличие атомов примеси. Пусть  атом кремния в кристаллической  решетке замещен атомом элемента с валентностью, отличающейся на единицу, например фосфором (рис. 2, а). Четыре из пяти валентных электронов фосфора будут участвовать в образовании ковалентных связей с соседними атомами кремния, а пятый электрон будет связан только со своим атомом.

Рис. 2. Модель кристаллической           решетки   донорного   (а)  и акцепторного  (б) полупроводника 

     Прочность такой связи много меньше прочности ковалентной связи, т. е. энергия ионизации примеси, необходимая для отрыва этого электрона, много меньше ширины запрещенной зоны. Следовательно, достаточно очень небольшой дополнительной энергии, чтобы этот пятый электрон оторвался от атома фосфора и стал электроном проводимости. На месте оторвавшегося электрона образуется дырка, но так как атомы фосфора из-за их малой концентрации расположены далеко друг от друга, электроны других атомов не смогут заполнить ее. В результате дырка остается неподвижной, и дырочная электропроводность отсутствует. Следовательно, электропроводность будет носить электронный характер.

     Теперь  рассмотрим случай замещения атомов кремния атомами трехвалентного элемента, например бора (рис 2, б). Все три его валентных электрона участвуют в образовании ковалентных связей с атомами кремния, но одна связь остается незаполненной. Эту связь может заполнить электрон соседнего атома кремния, причем для этого потребуется очень малая энергия ионизации. Приняв дополнительный электрон, атом бора ионизируется и становится отрицательным ионом, а атом кремния, отдавший электрон, — положительным ионом. Будучи связанными кристаллической решеткой, ионы остаются неподвижными. Носителем заряда является только незаполненная связь - дырка, и электропроводность полупроводника носит дырочный характер.