Zkouška z materiálů BMTD FEKT

aný 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
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
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.
Kontrolní otázky:
1) Vyjmenujte základní fyzikální jevy v dielektriku. V čem spočívají?
Fyzikální jevy:
 dielektrická polarizace (posun vázaných nábojŧ)
 elektrická vodivost (posun volných nábojŧ)
 dielektrické ztráty
 elektrický výboj
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"
 Dielektrikum: ve vztahu s polarizovatelností částic a následně se schopností látky akumulovat po přiloţení elektrického pole elektrickou energii (kondenzátor).
 Izolant: ve vztahu se schopností látky vzájemně izolovat vodivé části s různým potenciálem.
 Každý 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 elektrický dipól a nabude indukovaný elektrický moment (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.
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?
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
 Plyny za normálních fyzikálních podmínek a při nepříliš velkých intenzitách elektrického pole jsou velmi dobrými izolanty. Ionizací části jeho neutrálních molekul se plyny stávají vodivými.
Elektrická vodivost kapalných izolantů
 Souvisí úzce s chemickým sloţením, strukturou, s obsahem nečistot a příměsí.
iontová
elektroforetická
elektronová (v silných elektrických polích).
Elektrická vodivost tuhých izolantů
A. Vnitřní elektrická vodivost tuhých izolantů
 Závisí na chemickém sloţení a struktuře látek, defektech vnitřního uspořádání a na druhu a obsahu nečistot a příměsí.
 Elektrická vodivost
iontová (ionty příměsí, nečistot; ionty vlastní látky)
elektronová (zpravidla na velmi nízké úrovni; výrazněji se uplatní v silných elektrických polích, resp. při vysokých teplotách)
příměsová
vlastní
 Přemísťování volných nosičŧ náboje vlivem elektrického 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.
 Od elektrolýzy se elektroforéza odlišuje tím, 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, adsorbovanou na jejich povrchu. Vzhledem k značné elektrické vodivosti vody ( = 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.
 Rozhodující vliv na velikost povrchové 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
 Mají významný podíl na celkové výši ztrát. Jsou podmíněny polarizačními pochody v 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?
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
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
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
Vytvořil Kamil Matěj Pokorný z Jihlavy BMTD materiály -FEKT VUT. Strana / 13/12/2009