Vypracované otázky ke zkušce z materiálů BMTD - upravený formát, drobně přehlednější - PDF

-FEKT VUT. Strana
28/38 13/12/2009
Uvažujme polovodič N typu, který je dotován ND donory a NA akceptory (ND > NA) a ni
je koncentrace volných elektronů ve vlastním polovodiči.
Dostáváme pro koncentraci většinových elektronů nn:




Koncentraci menšinových děr pn vypočítáme z rovnice

2) Graficky znázorněte jak se mění poloha Fermiho hladiny v příměsovém polovodiči
(např. Si) v závislosti na rozdílu koncentrace donorů a akceptorů ve stavu plné ionizace
příměsí.



Obr. 4.16
Závislost polohy
Fermiho hladiny na
koncentraci příměsí
ve stavu plné
ionizace příměsí.
Polovodič Si, T =
300 K.







3) Vysvětlete pojmy kompenzovaný polovodič a degenerovaný polovodič.
Polovodičový materiál, který obsahuje jak donory tak akceptory se nazývá polovodič
kompenzovaný. V případě, že koncentrace donorů i akceptorů jsou stejné, je polovodič zcela
kompenzovaný.
Pokud se Fermiho hladina přiblíží o méně než 3kT k pásu vodivostnímu, jedná se o
degenerovaný polovodič N typu, označovaný symbolem N+. V případě, že se Fermiho
hladina přiblíží o méně než 3kT k pásu valenčnímu, jedná se o degenerovaný polovodič P
typu, pro který se používá symbol P+.

4) Graficky znázorněte jak se mění koncentrace nosičů v příměsovém polovodiči v
závislosti na teplotě v širokém teplotním rozsahu.
Obr. 4.17 Závislost koncentrace elektronů v příměsovém polovodiči N typu na teplotě
pro dvě různé koncentrace donorů
Vytvořil Kamil Matěj Pokorný z Jihlavy BMTD materiály -FEKT VUT. Strana
29/38 13/12/2009

5) Mezi jakými náboji a za jakých podmínek se v polovodiči ustaví nábojová neutralita?
Nábojová neutralita v polovodičích
Nejdříve zavedeme pojem homogenního polovodiče jako materiálu, v jehož celém
objemu je stále stejná (konstantní) koncentrace příměsí. Lze říci, že v homogenním
polovodiči, který se nachází v termodynamické rovnováze, je potom splněna podmínka
nábojové neutrality.
Tuto podmínku pro příměsový polovodič s koncentrací ND donorových atomů a NA
akceptorových atomů v krystalové mřížce vyjadřuje vztah

kde ND+

a NA- jsou koncentrace ionizovaných donorů a akceptorů s kladným a
záporným elektrickým nábojem. Tyto náboje jsou na rozdíl od nábojů volných elektronů a děr
v krystalové mříži nepohyblivé. )

Kontrolní otázky
1) Na čem závisí driftová složka proudové hustoty elektronů a děr v polovodiči?
pro driftové sloţky proudové hustoty elektronů (n)
a děr (p) platí
Závisí tedy na intenzitě magnetického pole E a na
koncentraci volných elektronů n, případně koncentraci
volných děr p a na pohyblivosti elektronů μn a pohyblivost děr μp

2) Na čem závisí difuzní složka proudové hustoty elektronů a děr v polovodiči?
Pro difúzní sloţku proudové hustoty elektronů a děr platí
Vytvořil Kamil Matěj Pokorný z Jihlavy BMTD materiály -FEKT VUT. Strana
30/38 13/12/2009

kde Dn je difuzní koeficient elektronů a Dp je difúzní koeficient děr.
Závisí tedy na Dn = difúzním koeficientu elektronů a Dp = difúzním koeficientu děr a
na koncentraci volných elektronů n, případně koncentraci volných děr p

3) Co vyjadřuje pohyblivost nosičů a jak se pohyblivost nosičů v polovodiči mění s
teplotou?

Celkový průběh teplotní závislosti pohyblivosti dává spolehlivý obraz o působících
mechanismech rozptylu. Je zvykem vynášet ln μ = f (ln T), potom se teplotní závislost μ ~ Tn
projeví jako přímka.


4) Graficky znázorněte jak se mění konduktivita polovodičů s teplotou. Jak se na této
závislosti projeví rozdílná koncentrace příměsí?
Teplotní závislost konduktivity polovodičů je určována především teplotní závislostí
koncentrace nosičŧ, s níţ má i obdobný průběh. Teplotní závislost pohyblivosti nosičů se může
projevit menším poklesem konduktivity v oblasti stavu plné ionizace příměsí. V této oblasti,
při konstantní koncentraci nosičŧ, se uplatní pokles pohyblivosti nosičů, v důsledku srážek s
ionizovanými příměsemi.


Vytvořil Kamil Matěj Pokorný z Jihlavy BMTD materiály -FEKT VUT. Strana
31/38 13/12/2009

Kontrolní otázky:
1) Vyjmenujte základní fyzikální jevy v dielektriku. V čem spočívají?
Fyzikální jevy:





2) Uveďte základní fyzikální veličiny z oblasti dielektrik, včetně hlavních jednotek.


3) V čem spočívá rozdíl pojmů „dielektrikum“ a „izolant“?
K volbě pojmů "dielektrikum" - "izolant"
e schopností látky
akumulovat po přiloţení elektrického pole elektrickou energii (kondenzátor).
ůzným
potenciálem.
ždý izolant je současně dielektrikem, avšak všechna dielektrika nejsou izolanty. K
dielektrikŧm se řadí i četné látky s vlastnostmi polovodičů (Ge, Si).

4) Vysvětlete rozdíl mezi nepolárními a polárními dielektriky.
Klasifikace molekul podle způsobu uspořádání vázaných nábojů:
Molekuly neutrální (nepolární)

Jejich stavba je zcela symetrická, vázané elektrické náboje jsou rozloženy souměrně a jejich
těžiště splývají. Působením elektrického pole se symetrie poruší. Nepolární molekula vytvoří
i).
Molekuly dipólové (polární)

Jejich stavba je nesymetrická; vyznačují se (i v nepřítomnosti elektrického pole) stálým
elektrickým momentem. V přítomnosti elektrického pole se dipólové molekuly stáčejí do směru
pole. Tím získají přídavný (indukovaný) dipólový moment, který se vektorově skládá se stálým
dipólovým momentem.

Kontrolní otázky:
1) Co je fyzikální podstatou jevu dielektrické polarizace? Uveďte rozdíl mezi polarizací
a polarizovatelností.

Fyzikální podstatou jevu dielektrické polarizace je fyzikální jev, při němž se působením
vnějšího i vnitřního elektrického pole přemisťují (posouvají) elektricky vázané náboje dielektrika
ze svých rovnovážných poloh do nových na malé omezené vzdálenosti, a obsahuje-li látka
dipólové molekuly, natáčejí se (orientují se) tyto do směru pole. Výjimečně jsou i volné náboje v
dielektriku příčinou polarizace.
Vytvořil Kamil Matěj Pokorný z Jihlavy BMTD materiály -FEKT VUT. Strana
32/38 13/12/2009
Polarizovatelnost () vyjadřuje schopnost polarizace látky; je základní fyzikální
vlastností dielektrik. S polarizovatelností souvisí permitivita ´

2) Uveďte veličiny, které jsou mírou dielektrické polarizace a definujte vztahy mezi
nimi.


3) V čem spočívá rozdíl mezi para- a feroelektricky?


4) Uveďte přehled polarizačních mechanismů.


5) V čem spočívají rozdíly mezi elektrostrikcí a piezoelektrickým jevem?

Vytvořil Kamil Matěj Pokorný z Jihlavy BMTD materiály -FEKT VUT. Strana
33/38 13/12/2009


Kontrolní otázky:
1) Uveďte základní druhy elektrické vodivosti izolantů a přihlédnutím ke skupenskému
stavu.
Elektrická vodivost
A.
iontová (ionty příměsí, nečistot; ionty vlastní látky)
elektronová (v elektrických polích o velmi vysoké intenzitě)
elektroforetická (koloidní částice v kapalných látkách)

B.
vnitřní
povrchová (u tuhých látek)

Elektrická vodivost plynů
pole jsou velmi dobrými izolanty. Ionizací části jeho neutrálních molekul se plyny stávají
vodivými.

Elektrická vodivost kapalných izolantů


iontová
elektroforetická
elektronová (v silných elektrických polích).

Elektrická vodivost tuhých izolantů
A. Vnitřní elektrická vodivost tuhých izolantů
a obsahu nečistot a příměsí.


iontová (ionty příměsí, nečistot; ionty vlastní látky)
Vytvořil Kamil Matěj Pokorný z Jihlavy BMTD materiály -FEKT VUT. Strana
34/38 13/12/2009
elektronová (zpravidla na velmi nízké úrovni; výrazněji se uplatní v silných
elektrických polích, resp. při vysokých teplotách)
příměsová
vlastní
ckého pole je obdobné jako u difuze.
2) Formulujte matematickou náhradní funkci vnitřní konduktivity tuhých izolantů.
, [S/m], kde

3) Co vyjadřuje Waldenův vztah? Pro které látky platí?

Vzájemná vazba konduktivity a dynamické viskozity. Waldenovo pravidlo platí pro
iontovou vodivost i pro elektroforetickou vodivost kapalných izolantů. γ je konduktivita a η
je dynamická viskozita kapalin.

4) V čem spočívá elektroforéza?
Po přiložení elektrického pole se elektricky nabité koloidní částice dostanou do pohybu , to
jest elektroforéza.
že se na elektrodách nevylučují nové látky,
vznikající elektrochemickými ději.

5) Kteří činitelé ovlivňují povrchovou elektrickou vodivost izolantů?

Povrchová elektrická vodivost tuhých izolantů je podmíněna především vlhkostí,
= 10-4 … 10 -5
S m-1) stačí i velmi tenký vodní film, aby se objevila značná povrchová vodivost. Hodnotu
povrchové konduktivity určuje hlavně tloušťka tohoto vodního filmu; ta však závisí na
vlastnostech tuhé látky, na jejímž povrchu je vlhkost adsorbována. Proto se povrchová vodivost
posuzuje jako specifická vlastnost materiálu.
vodivosti mají tyto činitele:
Relativní vlhkost okolního prostředí.
S klesající teplotou relativní vlhkost atmosféry stoupá, tím stoupá i tloušťka adsorbovaného
vodního filmu. Ohřátím se vodní film z povrchu odpaří a povrchová vodivost klesne.
Schopnost látky odpuzovat nebo vázat vodu.

Tato schopnost látky závisí na struktuře a povaze látky. Podle chování k vodě se rozlišují:
Látky hydrofobní, které vodu odpuzují a vodou se nesmáčejí.
Látky hydrofilní, které vodu přitahují, vodou se smáčejí.
Čistota a hladkost povrchu látky. Nečistoty usazené na povrchu izolantu značně zvětšují
povrchovou vodivost látek hydrofilních. Čím hladší a lesklejší je povrch, tím má látka vyšší
povrchovou rezistivitu. U látek hydrofobních je snížení povrchové rezistivity znečištěním povrchu
poměrně malé.


Kontrolní otázky:
1) Uveďte základní druhy dielektrických ztrát. U kterých dielektrik se vyskytují?
A. Vodivostní ztráty
Vyskytují se u všech druhŧ dielektrik a jsou podmíněny ohmickou vnitřní a povrchovou
vodivostí dielektrika.
B. Polarizační ztráty
Vytvořil Kamil Matěj Pokorný z Jihlavy BMTD materiály -FEKT VUT. Strana
35/38 13/12/2009
dielektriku.Velikost těchto ztrát a jejich teplotní a kmitočtové závislosti vycházejí z druhu
vyskytujících se polarizací.
U elektronové a iontové polarizace se polarizační ztráty prakticky nevyskytují.
Naopak velkými ztrátami, značně závislými na teplotě a na kmitočtu, je provázena
polarizace dipólová a iontová relaxační.
Zvláštní druh ztrát (značných) představují ztráty feroelektrik, charakterizovaných
vnitřní doménovou strukturou.

C. Ionizační ztráty
Vyskytují se u plynů, a dále u tuhých, resp. kapalných dielektrik, které obsahují plynové
vměstky. Podmínkou vzniku ztrát je překročení tzv. prahu ionizace daného plynu.

2) Které veličiny jsou mírou dielektrických ztrát? Jaké jsou mezi nimi vztahy?


3) Odvoďte relaci (=vztah) mezi prvky sériového a paralelního náhradního zapojení
technického
kondenzátoru?


4) Graficky vyjádřete typický průběh teplotní závislosti ztrátového činitele.


5) Jak je definována komplexní permitivita?


Vytvořil Kamil Matěj Pokorný z Jihlavy BMTD materiály -FEKT VUT. Strana
36/38 13/12/2009

Kontrolní otázky:
1) Uveďte základní typy průrazů izolantů. V čem spočívají?
Výboj:
A
nesamostatný
samostatný
B
vysokotlaký
nízkotlaký

C
ustálený
neustálený

D
úplný (překlenuje celou vzdálenost mezi vodiči s rŧzným potenciálem)
částečný

2) Klasifikujte elektrické výboje v plynech z hlediska vlastností plazmatu.

Základní klasifikace:
nesamostatný výboj
1. druhu (vnější zdroj ionizace)
2. druhu (emise elektronů z katody)
samostatný výboj

Z technického hlediska je účelné členit samostatné výboje na dvě skupiny:
1. ustálené elektrické výboje
2. výboje, při nichţ je plasma v přechodném stavu
2.1. přeskok (jiskrový výboj)
2.2. částečné výboje
2.3. koróna (výboj podmíněn velmi nehomogenním polem)
2.4. klouzavé výboje

3) Uveďte činitele ovlivňující velikost elektrické pevnosti izolantů.

Činitele ovlivňující velikost elektrické pevnosti kapalných izolantů
Doba působení elektrického pole
Materiál elektrod
Vzdálenost elektrod
Teplota
Obsah vody

Činitele ovlivňující velikost elektrické pevnosti plynných izolantů
Tlak plynu
Vzdálenost elektrod
Kmitočet elektrického pole


Činitele ovlivňující velikost elektrické pevnosti pevného izolantu
Vytvořil Kamil Matěj Pokorný z Jihlavy BMTD materiály -FEKT VUT. Strana
37/38 13/12/2009
Teplota
Tloušťka izolantu
Charakter a druh elektrického pole (homogenní, nehomogenní pole; stejnosměrné,
střídavé pole; rázové namáhání)
Kmitočet elektrického pole
Částečné výboje
Vlivy částečných výbojů v plynových dutinkách:
a) elektrické (oblouk, vodivá dráha),
b) erozivní (rozrušování stěn dutinek),
c) chemické (účinkem zplodin výbojů na izolant),
d) tepelné (možnost vzniku tepelné nestability).
Doba působení elektrického pole

4) Co vyjadřuje časově napěťová charakteristika izolantu? Jaký je její typický průběh?

Obr. 5.27 Časově napěťová charakteristika tuhých izolantů

5) Jaké jsou vnější projevy čistě elektrického a tepelného průrazu tuhých izolantů?

1. Čistě elektrický průraz
Velmi rychlý průraz; t = 10-7- 10-8 s. Proražené místo je tvaru čistého otvoru o průměru
řádově 0,01 mm (tzv. propich) beze stop po opálení okolí. K čistě elektrickému průrazu dochází
zejména při rázovém namáhání.
2. Tepelný průraz
Doba rozvinutí trvá sekundy i minuty. Okolí místa průrazu se silně ohřeje. Po průrazu se
objeví vypálený otvor (kanál), jehož okolí bývá zuhelnatělé; často materiál popraská, rozkládá se
či taví. Tepelný průraz vzniká následkem porušení tepelně elektrické rovnováhy izolantu, jehož
příčinou je vzrůst dielektrických ztrát s teplotu.

Kontrolní otázky:
1) Uveďte klasifikaci plynných izolantů a jejich typické představitele.
KLASIFIKACE
1. Plynné izolanty
1.1 Obecné plyny
N, H, O, CO2
1.2 Vzácné (inertní) plyny
Ne, Kr, Ar, Xe
1.3 Elektronegativní plyny
SF6, CCl2F2
Vytvořil Kamil Matěj Pokorný z Jihlavy BMTD materiály -FEKT VUT. Strana
38/38 13/12/2009
2) Klasifikačně zařaďte pojmy: parafin, asfalt, kalafuna.
3. Tuhé izolanty
3.1 Organické tuhé izolanty
3.1.1 Přírodní nízkomolekulární látky
3.1.1.1 Vosky
parafin,

3. Tuhé izolanty
3.1 Organické tuhé izolanty
3.1.1 Přírodní nízkomolekulární látky
3.1.1.2 Asfalty

3. Tuhé izolanty
3.1 Organické tuhé izolanty
3.1.2 Přírodní makromolekulární látky
3.1.2.1 Přírodní pryskyřice
kalafuna,

3) Uveďte alespoň pět druhů termoplastů používaných v elektrotechnice. Připojte i
plastikářské značky.
3.1.3 Syntetické makromolekulární látky
3.1.3.1 Termoplasty
polyetylen, polypropylen= PP, polystyren= PS, polyvinylchlorid, polyizobutylen = PIB,
polymetylmetakrylát= PMMA= plexisklo, polytetrafluoretylen= PTFE= teflon,
polychlortrifluoretylen, polyformaldehyd, polyamidy= PA, linární polyuretany= PU, linární
polyestery, polykarbonátyy= PC

4) Vyjmenujte typické představitele reaktoplastů pro elektrotechniku.
Reaktoplasty
fenoplasty, aminoplasty, nenasycené polyestery, prostorové polyuretany, epoxidy

5) Vyjmenujte základní skupiny anorganických dielektrik.
Anorganické tuhé izolanty
3.2.1 Anorganické přírodní izolanty
křemen, asbest, slída
3.2.2 Sklo
křemičitá skla, křemenné sklo, fosfátové sklo, bezkyslíkatá skla (halogenidová, chalkogenidová)
3.2.3 Keramika
3.2.3.1 Křemičitá (silikátová) keramika
porcelán, kamenina, steatitová, forsteritová,
spodumenová, kordieritová,mullitová, celsiánová, korundová keramika
3.2.3.2 Oxidová (kysličníková) keramika
slinutý korund, titaničitá keramika
3.2.3.3 Bezkyslíkatá keramika
boridy, nitridy, karbidy