Полупроводники. 
Материаловедение в машиностроении

Полупроводники характеризуются относительно узкой зоной запрещенных энергий (см. рис. 10.10, б), удельным электросопротивлением (р) в пределах 10−5…108 Ом м, отрицательным температурным коэффициентом удельного электросопротивления (?р).

Полупроводниками являются ряд элементов III-VI групп Периодической системы, а также химические соединения на их основе. Это бор (III группа); углерод, кремний, германий, олово (IV группа); фосфор, мышьяк, сурьма (V группа); сера, селен, теллур (VI группа).

К химическим соединениям, обладающим полупроводниковыми свойствами, относятся химические полупроводники — SiC, InSb, GaAs, GaP, CdS, ZnSe, оксиды — ZnO, FeO и др.

Ширина запрещенной зоны (?Е) полупроводников может сильно различаться. Так, например, для алмаза она велика (?E = 8,5•1019 Дж), по электрической проводимости он близок диэлектрикам, а олово — к металлам, поскольку запрещенная зона мала (?Е=0,13•10−19 Дж). Чем больше ?Е, тем выше должна быть температура нагрева полупроводника для разрушения ковалентных связей и образования носителей тока, т. е. тем выше возможная температура эксплуатации. Наиболее широко применяемые полупроводники — германий и кремний.

Нa основе полупроводников созданы различные приборы, в которых используется зависимость электропроводности: от температуры — термисторы; от светового излучения — фоторезисторы; от давления — тензорезисторы; от электрического поля — варисторы. Полупроводниковые материалы используются при создании солнечных батарей (эффект возникновения фото-ЭДС между освещенной и неосвещенной поверхностью полупроводника), а также при создании выпрямителей, транзисторов, интегральных схем и многих других приборов различного назначения в радиоэлектронной промышленности и приборостроении.

Диэлектрики

Диэлектрики характеризуются широкой зоной запрещенных энергий (см. рис. 10.10, в), удельным электросопротивлением (р) в пределах 108…1018 Ом•м, отрицательным температурным коэффициентом удельного электросопротивления (?).

Электрические свойства диэлектриков оцениваются следующими параметрами: удельное объемное электросопротивление (р); диэлектрическая проницаемость (?); тангенс угла диэлектрических потерь (tg ?); электрическая прочность (Eпр).

Особенностью диэлектриков является способность поляризоваться в электрическом поле, при этом в диэлектрике возникает собственное внутреннее электрическое поле, противоположное внешнему. Мерой поляризации является ?, оцениваемая отношением Сд/С0, где Сд — емкость конденсатора, между пластинами которого находится диэлектрик; Со — емкость того же конденсатора, где диэлектриком является вакуум. Большая величина? (до 100 000) необходима для конденсаторных диэлектриков с целью увеличения емкости конденсатора. Для диэлектриков общего назначения величина? может быть небольшой (до 10…12).

Тангенс угла диэлектрических потерь (tg ?) характеризует потери энергии в диэлектрике, работающем при переменном напряжении: чем меньше его величина, тем меньше потери. Уменьшение потерь особенно важно при работе в условиях высоких частот, поэтому высокочастотные диэлектрики должны иметь малое значение tg ?. Величина tg? лежит в основе разделения диэлектриков на низкочастотные (tg? = 0,1…0,001) и высокочастотные (tg? < 0,001). Низкочастотными диэлектриками являются некоторые керамики (электрофарфор, керамика ВК-1), пластические массы (эпоксидные смолы, ПВХ), высокочастотными — керамики (ультрафарфор), стекла, ситаллы, полиэтилен, фторопласт (пластические массы, стекла, ситаллы рассмотрены ниже, см. гл. 12).

Электрическая прочность (Eпр) диэлектрика — это способность сопротивляться электрическому пробою, т. е. разрушению диэлектрика под действием поля, когда в нем образуется канал с очень большой проводимостью. Электрическая прочность рассчитывается как отношение пробивного напряжения (Unp) к толщине диэлектрика в месте пробоя (h). Диэлектрики пробиваются при очень больших напряжениях (тысячи вольт), поэтому значение Епр выражается в МВ/м.

При выборе диэлектрика наряду с его электрическими свойствами необходимо учитывать и ряд других свойств, которые могут определить работоспособность диэлектрика в различных условиях эксплуатации.

Бумага, слоистые пластики, пористая керамика гигроскопичны и влагопроницаемы. Это может привести к образованию токопроводящих пленок на поверхности диэлектрика, понизить его изолирующую способность и вызвать пробой. Уменьшение гигроскопичности достигается пропиткой водонепроницаемыми материалами, покрытием лаками. Стекла и ситаллы негигроскопичны.

Керамики, стекла и ситаллы вследствие хрупкости могут разрушаться при эксплуатации в условиях переменных температур из-за тепловых напряжений и деформаций.

При использовании пластмасс необходимо учитывать возможность потери диэлектрических свойств вследствие старения.

Наиболее перспективным диэлектриком является керамика, она не подвержена старению, устойчива к нагреву, обладает высокой прочностью.