Электрофизические воздействия на технологические процессы, страница 2

Полупроводники – материалы, в которых электрический ток обеспечивается движением электронов и «дырок» - вакансий электронов, мест, где недостаёт электронов:

, где:  - заряд электрона,  - концентрация электронов,  - подвижность электронов,  - заряд дырок,  - концентрация дырок,  - подвижность дырок. Для полупроводников проводимость  зависит от температуры:                 , где:  - ширина запрещённой зоны – для истинных полупроводников  эВ, для примесных полупроводников

 эВ,  - постоянная Больцмана   Дж/К.

Диэлектрики – материалы, в которых нет свободных электронов, но есть диполи – элементы, в которых есть два разноименных, но равных по абсолютной величине заряда, находящихся на некотором расстоянии друг от друга, которые под действием электрического поля могут поворачиваться или смещаться. Это явление называется поляризацией. Диполь характеризуется дипольным моментом . Диэлектрик в электрическом поле создаёт вектор поляризации , который ослабляет электрическое поле в диэлектрике, .

Поляризация существует разных видов: электронная поляризация – смещение электронов относительно ядер; ионная поляризация – смещение ионов в кристаллической решётке; ориентационная – поворот молекул, имеющих собственный дипольный момент; структурная – поворот частиц – диполей. Каждый вид поляризации характеризуется собственным временем ралаксации. Время релаксации – это время, необходимое для смещения зарядов или поворота диполей. Время релаксации зависит, прежде всего, от массы смещаемых элементов. Естественно наименьше время релаксации у электронной поляризации, а максимальное – у структурной, в результате чего  в переменном электрическом поле диэлектрические характеристики вещества меняются от частоты переменного электрического поля.  При достаточно высокой частоте не происходит структурная поляризация, так как массивные структурные элементы, обладающие дипольным моментом не успевают, изменить свою ориентацию. Электронная поляризация происходит и при очень высоких частотах, так как масса электронов несоизмеримо меньше массы структурных элементов.  На рис. … а и б приведены частотные диэлектрические характеристики – изменение диэлектрической проницаемости  от частоты электрического поля . На рис. … а видны пики, соответствующие резонансу диполей. Диэлектрическая проницаемость   состоит из действительной  и мнимой  частей: , а отношение мнимой и действительной частей диэлектрической проницаемости – это тангенс угла потерь: , или отношение активной и ёмкостной проводимостей среды на данной частоте, которые зависят от частоты переменного электрического поля. Тангенс угла потерь характеризует долю энергии переменного электрического поля, которая поглощается диэлектриком и, в конечном счете, превращается в тепло и рассеивается  (диссипирует). Таким образом, диэлектрик в переменном электрическом поле нагревается, выделяет тепло, и тем больше, чем выше его тангенс угла потерь и выше частота поля.

Пьезоэлектрики – вещества, при деформации которых в них возникает электрическое поле (прямой пьезоэффект), а при наложении электрического поля происходит его деформация (обратный пьезоэффект). Связь деформации   и напряженности электрического поля : , где  - пьезомодуль, основная характеристика пьезоэлектрика. Пьезоэффект открыт братьями Кюри в 1880 году.  Характерными представителями естественных пьезоэлектриков являются кристаллы сегнетовой соли  и кварца . Пьезомодуль  сегнетовой соли на два порядка выше, чем у кварца. Пьезоэффект наблюдается только в направлении определённой оси кристалла. Пьезоэффектом обладают некоторые искусственные вещества, наиболее распространёнными из них являются пьезокерамики на основе титаната бария  и цирконата-титаната свинца . Пьезомодуль этих керамик существенно больше, чем у кварца, но ниже, чем у сегнетовой соли. Пьезоэффект снижается с повышением температуры, а при определённой температуре, характерной для данного вещества, полностью исчезает. Эта температура называется точкой Кюри . Для сегнетовой соли  ⁰С, для кварца  ⁰С, для пьезокерамик  ⁰С.

Электреты – твёрдые диэлектрики, которые после обработки долго сохраняют электрический момент (поляризацию). Качество электретов характеризуют поверхностной плотностью электрических зарядов и стабильностью во времени. Поверхностная плотность зарядов у электретов достигает до 10^-4 Кл/см². Хорошими электретами являются янтарь, поливинилацетат, полиамиды. Похуже – сера.

Магнетики – вещества, реагирующие на магнитное поле. Количественная характеристика магнетиков – вектор намагниченности  (магнитный момент единичного объёма вещества)

.

Индукция магнитного поля в магнетике .

Существуют несколько типов магнетиков.

Диамгнетики – вещества с малой магнитной проницаемостью . Эти вещества сильно ослабляют магнитное поле. Это водород, инертные газы, серебро, медь и другие.

Парамгнетики – вещества, незначительно усиливающие магнитное поле. У парамагнетиков . К парамагнетикам относятся кислород , окись азота , платина, алюминий, соли металлов , , .

Ферромагнетики – вещества, сильно увеличивающие магнитное поле. У ферромагнетиков , к ним относятся железо, никель, кобальт, керамики на их основе, сплавы хрома, марганца, кадмия. Ферромагнетики при температуре выше точки Кюри становятся парамагнетиками.