P-n переход

Рассмотрим переход между Рассмотрим переход между n и p областям, а переходную область считают обеднённой подвижными носителями заряда. Когда имеем контакт п/п n и p типа, электроны из п/п n-типа переходят в п/п р-типа. Аналогично дырки из области р-типа перемещаются в область n-типа, и при переходе подвижных носителей заряда остаются нескомпенсированные атомы примеси, причём со стороны n-типа остаются положительные доноры, р-типа – отрицательные акцепторы. Вследствие наличия электрического поля между n и р областями образуется потенциальный барьер. При достижении равновесного состояния величина этого поля такова, что стремлению электронов диффузировать в р-область из n-области, в точности компенсируется их стремлением к дрейфу с противоположным направлением под действием встроенного электрического поля.

Тема 4 Активные диэлектрики.

Диэлектрики: активные и пассивные. Область применения пассивных диэлектриков ограничена конденсаторостроением и разработкой изоляционных конструкций. Для пассивных диэлектриков существуют определенные требования, а именно маленькая удельная проводимость, маленький тангенс угла диэлектрических потерь tg δ, высокая электрическая прочность, определенная диэлектрическая проницаемость (довольно часто необходима большая), маленький температурный коэффициент изменения диэлектрической проницаемости.

§ 1. Физические свойства и техническое использование электретов.

Обычно электрическая поляризация диэлектриков, индуцированная внешним электрическим полем, после выключения поля исчезает, и диэлектрик в равновесном состоянии оказывается деполяризован. Но в некоторых случаях поляризованное состояние диэлектрика сохраняется после снятия внешнего электрического поля. Возникает остаточная поляризация. Диэлектрики, длительное время сохраняющие в объеме или на поверхности электрические заряды, создающие в окружающем пространстве постоянное электрическое поле называют электретами. Способы формирования электретов различны. Обычно к диэлектрику кроме сильного электрического поля применяют какое-либо дополнительное активирующее воздействие, ускоряющее процесс поляризации. В зависимости от дополнительного воздействия (нагрев, радиация, магнитное поле, механическая деформация, освещение) электреты классифицируются:

- термоэлектреты;

- фотоэлектреты;

- радиоэлектреты;

- магнитоэлектреты;

- механоэлектреты.

Фотоэлектреты - диэлектрики, с высокой фоточувствительностью, но малой темновой проводимостью (меньше См/м). Формирование электрических зарядов в таких электретах зависит как от электрического поля, так и от освещенности на освещаемых участках фоточувствительного диэлектрика носители заряда освобождаются вследствие фотоэффекта, затем дрейфуют в диэлектрике, распределяясь в соответствии с освещенными и темновыми областями. Носители заряда захватываются ловушками, образуя гомозаряд. После выключения электрического поля и света вблизи поверхности фотоэлектрета остается электрическое изображение, его можно считывать электронным лучом либо визуализировать с помощью красящего порошка. Фотоэлектрическое изображение можно ликвидировать либо сплошной засветкой фоточувствительного диэлектрического слоя, либо с помощью сильного электрического поля. Материалы- фоточувствительные диэлектрики с малой темновой проводимостью, удобной для создания пластин с большой площадью: сульфид и селенид цинка (ZnSe, ZnS), кадмия и т.д. Фотоэлектреты широко применяются в ксерокопировании.

Процесс ксерокопирования.

Главная деталь- пластина- слой тонкого аморфного диэлектрика, нанесенного на металлическую подложку. В качестве диэлектрика выступают соединения: кадмий-селен, кадмий-селенид, соединения селена, мышьяка, теллура- это хорошие диэлектрики (с большим сопротивлением) обладают свойством фотопроводимости, т.е. проводимость таких материалов увеличивается при освещении. Диэлектрический слой натирают проволочными электродами (с высоким потенциалом, до 30 кВ), за счет чего слой приобретает большой электростатический заряд. Копируемый документ проецируется на пластину, белая часть изображения переводит диэлектрик в проводящее состояние, поверхностный заряд стекает к внешнему металлически заземленному электроду. На темных местах- заряды остаются. Всю пластину посыпают мелким порошком полимера, излишек порошка стряхивают, этот порошок прилипает к темным сильно заряженным листам. Лист прижимают к пластине, лист собирает частицы пыли, потом его обрабатывают под ИК-лампой, полимерные частицы при этом сплавляются застывая, скрепляют черный углерод- пыль SO2. Формируется копия документа. Для очистки пластину освещают, отсюда следует, что она разряжается.

§ 2. Радиоэлектреты.

Их получают при облучении диэлектрика быстрыми частицами или γ-квантами. Независимо от природы этих частиц в диэлектрике под их действием активизируются электроны, которые захватываются структурными дефектами, и образуют объемные заряды. Разделение положительных и отрицательных зарядов, приводящие к образованию электрета может быть получено, как при приложении внешнего электрического поля, так и без него. В последнем случае заряды разделяются из-за неравномерности поглощения этого излучения диэлектрика. Появляется градиент электрического поля, распределяющий электроны и дырки по ловушкам. Этот метод электризации применяется не только для получения электретов, но преимущественно для создания радиометров (доз-излучения)- дозиметры.

§ 3. Пироэлектрики.

В некоторых диэлектриках тепловая энергия может превращаться в электрическую. Такое превращение возможно, если диэлектрик поляризован в отсутствии внешнего электрического поля. При постоянной температуре, однако, спонтанная поляризованность обычно скомпенсирована электрическими зарядами, оседающими на поверхности полярного диэлектрика. Повышение и понижение температуры вследствие изменения интенсивности теплового движения частиц изменяет ориентацию полярных молекул и расстояние между атомами полярных кристаллов. Отсюда происходит изменение спонтанной поляризации, т.е. на поверхности поляризованного диэлектрика возникают нескомпенсированные электрические заряды. Если кристалл подключен к нагрузке, то стекание этих зарядов приводит к пироэлектрическому току. В случае разомкнутого кристалла на нем появляется пироэлектрическое напряжение. Пироэлектрический эффект: появление электрических зарядов на поверхности поляризованного диэлектрика при изменении его температуры.

Рассмотрим механизм пироэффекта на простой модели одномерного поляризованного кристалла, состоящего из цепочки диполей (обозначим каждый диполь-à. Каждый диполь обладает спонтанной ориентацией.

Т=0

Т1>0

T2>T1

При отсутствии теплового движения все диполи строго ориентированы дают максимальную спонтанную поляризованнность. По мере роста температуры тепловое хаотическое движение вызывает:

1. частичное разупорядочивание диполей

2. термическое расширение кристалла

1 и 2 обеспечивают с ростом температуры уменьшение спонтанной поляризованности кристалла.

Рс

Фс

Т1 Т2 Т

Температурное разупорядочивание диполей снижающее величину спонтанной поляризованности приводит к первичному (истинному) пироэффекту. Существует вторичный (ложный) пироэффект за счет термического расширения кристалла, следовательно, уменьшение величины спонтанной поляризованности. Причина: уменьшение плотности кристалла. Первичный и вторичный пироэффект приводит к пропорциональному уменьшению спонтанной поляризованности.

При небольших изменениях температуры существует прямо пропорциональная зависимость изменения поляризованности от температуры.

Р-пироэлектрический коэффициент.

Пироэлектрический эффект может быть использован для обнаружения и изменения тепловых потоков, а при некоторых условиях и для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Пироэлектрики используются для детекторов и приемников излучений в качестве теплометрических приборов, датчиков, преобразователей изображений.

Пироэлектрические приемники тепловых излучений высокой чувствительности не нуждаются в специальном охлаждении, низкие коэффициенты шумов, весьма широкий спектральный диапазон позволяют фиксировать излучения на частотах от до . Вследствии особенностей пироэффекта, а именно электрическая компенсация постоянной внутренней поляризации. Пироприемники и пиродетекторы реагируют только на переменную часть потока излучений, его скорость модуляции достигает Гц (частота модуляции).

Принципиальная конструкция пироприемника.

Тепловой переменный поток Ф изменяет поляризованность р, индуцируя переменное напряжение U. Для максимальной эффективности преобразования теплового сигнала в электрический такой пироприемник должен иметь не только высокий пироэлектрический коэффициент, низкую диэлектрическую проницаемость, которая определяет емкость диэлектрика, малую теплоемкость.

Тема 5. Магнитные явления в твердых телах.

Магнитные явления в твердых телах используются при создании различных устройств информационно-измерительной техники (элементы магнитной памяти и т.д.).

§ 1. Классификация твердых тел по их магнитным свойствам.

Рассмотрим магнитные характеристики сред. Поместим в однородное магнитное поле с напряженностью Н и индукцией В (они связаны В=μ0 Н, μ0 – магнитная проницаемость вакуума) изотропное тело с объемом V. Под действием магнитного поля тело намагничивается, приобретая магнитный момент М. Отношение М к объему тела называют намагниченностью (вектор):

=M/V (1)

В изотропных магнетиках направлен параллельно напряженности Н. Введем величину- магнитная восприимчивость - отношение Jm к напряженности поля Н:

=Jm/H, xарактеризует внутренние свойства материала.

Намагниченное тело, находящееся во внешнем поле, создает собственное магнитное поле с индукцией Вi, равное:

0, (2)

которое в изотропных магнетиках направлено параллельно внешнему полю В0. Результирующее поле в магнетиках В равно:

(3)

- относительная магнитная проницаемость (4)

характеризует материал

(4) в (3), получим

(5)

По значению и знаку магнитной восприимчивости все тела делят на три группы:

- диамагнитные вещества;

- парамагнитные вещества;

- ферромагнитные вещества.

Покажем зависимость от напряженности магнитного поля.

1- относится к диамагнетикам;

2- относится к парамагнетикам при небольших полях и при невысоких температурах.

В случае сильных полей и низких температур зависимость имеет вид:

У диамагнетиков магнитная восприимчивость <<1 и отрицательна.

не зависит от напряженности внешнего поля и от температуры, у диамагнетических веществ. Такие твердые тела намагничиваются в направлении, противоположном полю, вследствие чего эти тела выталкиваются из областей с более сильным полем. У парамагнетиков<<1, но положительна по значению, они намагничиваются в направлении, параллельном внешнему полю. У парамагнетиков линейная зависимость Jm(Н) в слабых полях и при комнатной температуре. В сильных полях и при низких температурах Jm(Н)- функция асимптотически приближается к предельному значению Js, соответствующему магнитному насыщению парамагнетиков. У парамагнетиков магнитная восприимчивость зависит от температуры, эта зависимость обратно пропорциональна:

(была получена Кюри- закон Кюри; С- константа Кюри).

Рассмотрим магнитные свойства ферромагнетиков (ФМ). Типичный представитель- железо. У ФМ - величина положительная, она значительно больше, чем у парамагнетиков, величина зависит от напряженности внешнего магнитного поля Н. К ФМ относятся: никель, кобальт, ряд сплавов и т.д. Закономерности намагниченности ФМ исследовал Столетов. Зависимость от Н, индукции от внешнего поля, намагниченности от напряженности Н.

С увеличением Н внешнего поля В и Jm растут в начале быстро и по линейному закону, затем рост замедляется и начиная со значения Нs намагниченность достигает значения Js и остается постоянной- этот процесс называется магнитным насыщением. Индукция В (В=μ0(Н+Jm)), после достижения магнитного насыщения будет расти пропорционально Н внешнего поля. Для ФМ характерно наличие петли гистерезиса. Нарисуем кривую цикла полного перемагничивания ФМ:

При перемагничивании изменение В отстает от изменения Н. Оказывается при Н=0 В≠0, а В=Вr (остаточная индукция- остаточный магнетизм). Явление отставания В от Н называют магнитным гистерезисом.

Для ее компенсации необходимо приложить магнитное противоположное поле (отрицательное поле) Нс, которое называют коэрцитивной силой. Замкнутую петлю называют петлей гистерезиса (описывает цикл перемагничивания). Площадь петли пропорциональна работе перемагничивания единичного объема ФМ. Эта работа целиком переходит в теплоту, поэтому в переменных магнитных полях повышенной частоты ФМ могут сильно нагреваться. В зависимости от формы и площади петли гистерезиса ФМ разделяют на:

1) магнитомягкие;

2) магнитотвердые.

1) обладают низкой коэрцитивной силой и высокой проницаемостью у лучших сплавов такого типа. Нс составляет величину 0,3 А/м, а магнитная проницаемость μ≈;

2) характеризуются высокой коэрцитивной силой Нс≈- А/м и, как правило, эти материалы имеют большой остаточный магнетизм. При нагревании ФМ их магнитные свойства изменяются: Jm↓, μ↓, намагниченность ↓. Для каждого ФМ существует такая температура θс, при которой ФМ утрачивает свои ферромагнитные свойства- ферромагнитная точка Кюри. При температуре, выше температуры θс ФМ становится парамагнетиком с характерной для них линейной зависимостью от температуры. Эта зависимость передается значением Кюри-Вейса, который имеет вид:

(7)

Дата добавления: 2014-01-06