В оксидах, теллуридах, селенидах и сульфидах при низких температурах электропроводность и ее температурная зависимость сильно колеблются от образца к образцу, тенденция к стабилизации наблюдается лишь при высоких температурах. И хотя измерений, проделанных при температуре выше 1000°С, немного, экспериментальные данные свидетельствуют, что собственная проводимость наблюдается лишь у очень чистых образцов. В области температур от комнатной до нескольких сотен градусов наблюдается лишь примесная проводимость.
 |
Кроме того, поведение полупроводящих керамических материалов, стекол и минералов в значительной степени зависит от окружающей их газовой среды или расплава, от стабильности фазового и химического состава в процессе нагрева. Существенное влияние на электропроводность могут оказать эффекты поляризации и электролиза, уменьшающие концентрацию носителей тока в приэлектродных областях. Поскольку даже незначительное изменение количества и состава примесей может радикально изменить электропроводность материала, часто затруднительно дать однозначную интерпретацию явлений электропроводности. Зачастую исследованы лишь качественные зависимости. Например, доказано, что электропроводность Cu2O с ростом парциального давления кислорода в окружающей атмосфере увеличивается, что связывают с образованием и движением в решетке катионных вакансий. Напротив, у нестехиометрических окислов цинка и кадмия отмечается уменьшение электропроводности с ростом давления кислорода при температурах в интервале 500…600oC, что связывают с особенностями диссоциации этих веществ и образованием примесных центров (например, ионов Zn+ в решетке ZnO), способных удерживать электроны проводимости, образуя ассоциации водородоподобного или гелиеподобного типа.
Достаточно высокую электропроводность шпинелей объясняют наличием в них ионов с переменной валентностью. В частности, так объясняют превосходные полупроводниковые свойства магнетита Fe3O4 (r ~ 10 – 4 Ом×м против порядка 108 Ом×м у большинства других стехиометрических окислов переходных элементов).
Диэлектрики из керамики и стекла находят применение в качестве элементов емкостей (конденсаторов) в электронных схемах, а также в качестве электроизоляторов широкой гаммы назначений - от высоковольтных гирлянд до основы и диэлектрических слоев интегральных схем. Свойствами, которые в этом случае представляют наибольший интерес, являются низкая электропроводность s, высокая диэлектрическая проницаемость e, коэффициент диэлектрических потерь в высокочастотных полях tg d и электрическая прочность Uпр. Применение этих материалов превалирует над использованием органических пластмасс, когда изделие должно долговременно работать в условиях повышенной температуры, вследствие хорошего сопротивления ползучести и стабильности свойств при различных внешних воздействиях.
Из-за значительной ширины запрещенной зоны (более 3 эВ), прямой заброс электронов из валентной зоны в зону проводимости при комнатной и более низких температурах практически отсутствует, следовательно, концентрация свободных носителей тока в диэлектриках исключительно мала. В то же время некоторое количество свободных носителей может появиться вследствие термической активации примесных уровней запрещенной зоны, удерживающих электроны или дырки. Этот процесс можно рассматривать как туннельный эффект. Обусловленная этим электронным механизмом проводимость диэлектриков невелика - от 10 –20 См×м до 10 -8 См×м, но она обнаруживается по слабым токам утечки. Такой механизм проводимости является единственным или превалирующим у таких материалов, как MgO, Al2O3, TiO2 и других.
Подвижность электронов и дырок во многих диэлектриках в сотни и тысячи раз меньше, чем в полупроводниках, так как в диэлектриках они находятся в связанном состоянии, образуя квазичастицы- поляроны. Соответствующая проводимость называется п о л я р о н –
н о й. Внешнее электрическое поле, кроме инициирования движения носителей, способствует еще и поляризации, смещению связанных зарядов, из которых и состоит диэлектрик. Поляризовать окружающий объем могут и свободные электроны, но при этом искаженная решетка довольно сильно удерживает электрон. Во внешнем электрическом поле происходит движение полярона-электрона вместе с поляризованной областью. Поляронный механизм электропроводности особенно характерен для ионных кристаллов.
В сильных электрических полях энергия поля может оказаться достаточной для освобождения электронов (или дырок) из связанного состояния, что резко увеличивает подвижность носителей заряда. Да и
вследствие ударной ионизации концентрация их может сильно увеличиваться, что также резко увеличивает электропроводность.
Для многих диэлектриков зависимость удельной проводимости s от напряженности Е электрического поля в диапазоне значений Е >
10...100 MB/м хорошо описывается эмпирическим законом Пуля
s = s0×exp(a1E), (2.3.11)
где a1 - параметр материала, a s0 - удельная электропроводность в слабых полях, где выполняется закон Ома. Предложены и другие виды зависимости s(Е). Так Я.И.Френкель вывел уравнение в форме
(2.3.12)
применимое при описании освобождения электронов из примесного центра, а А.П.Лучников и А.С. Сигов, рассматривая движение электронов по локализованным состояниям, учли возможность как туннелирования, так и электрон-фононного взаимодействия, и получили более резкую зависимость от напряженности E:
(2.3.13)
где a2 и a3 - также экспериментально определяемые параметры материала.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.