Ce proprietati au materialele fotoelectrice? Funda

137
- efect fotoconductiv manifestat prin creşterea conductivităţii electrice;
- efect fotovoltaic manifestat prin apariţia unei tensiuni electromotoare la
joncţiunea p-n dintre două semiconductoare;
- luminiscenţă ce se manifestă îndeosebi la acţiunea radiaţiilor cu energii
mai mari (ultraviolete sau Röentgen).
Influenţa solicitărilor mecanice. Solicitările mecanice produc modificarea
distanţelor interatomice în reţeaua cristalină, ceea ce are ca efect modificarea
rezistivităţii corpurilor.
Fig. 4. 9. Fenomenul piezoelectric în cristale
In cazul unor cristale semiconductoare prin deformarea reţelei cristaline
corpul se polarizează electric şi produce o tensiune electromotoaare, efect numit
piezoelectricitate. Pentru exemplificare în figura 4. 9 se prezintă cazul unei reţele
cristaline în care în absenţa solicitărilor mecanice ionii formează triplete ABC
simetrice, cu moment electric nul; prin solicitarea cu forţe F, reţeaua se
deformează, se modifică ungiurile legăturilor şi suma momentelor electrice nu mai
este nulă, adică se produce polarizarea electrică. Efectul piezoelectric este utilizat
la construirea traductoarelor mecano-electrice şi a generatoarelor de ultrasunete.
4. 3. Proprietăţile electroizolante ale materialelor
4. 3. 1. Rigiditate dielectrică, polarizare, permitivitate
In cazul materialelor electroizolante (materialele la care rezistivitatea
ρ >106 Ωm) banda de valenţă este separată de banda de conducţie printr-o zonă de
energii interzise a cărei lăţime este suficient de mare pentru a impiedica tranziţia
electronilor sub acţiunea câmpurilor electrice uzuale. Dacă intensitatea câmpului
STIINTA MATERIALELOR
138
electric depăşeşte o anumită valoare electronii sunt puternic acceleraţi, şi pot
ioniza atomii prin ciocniri succesive, formându-se astfel o avalanşă de electroni
care depăşesc zona interzisă; în acest moment are loc străpungerea electrică
marcată de creşterea bruscă a conductivităţii, aşa cum se observă în figura 4. 10.
Valoare intensităţii câmpului
electric Estr pentru care are loc
străpungerea electrică se numeşte
rigiditate dielectrică; mărimea ei
depinde de tipul materialului,
puritatea şi grosimea acestuia,
temperatură, frecvenţa câmpului
electric etc.
In izolatorii gazoşi străpungerea se datorează ionizărilor prin ciocnire şi
datorită drumului liber mare al purtătorilor de sarcină se produc acceleraţii mari
ale acestora şi în consecinţă rigiditatea dielectrică a gazelor la presiune normală
este redusă (Estr ≈ 3ּ 106V/m). Creşterea sau scăderea presiunii conduce la
creşterea rigidităţii (la scăderea presiunii se reduce numărul de ciocnirii, la
creşterea presinuii se reduce drumul liber.
In cazul izolatorilor lichizi, de puritate înaintată drumul liber este mai redus
decât în cazul gazelor, iar rigiditatea este mai mare (Estr ≈108 V/m).
Izolatorii solizi au rigiditatea dielectrică mare (Estr ≈108…109 V/m)
datorită drumului liber mult mai redus care nu permite accelerararea electronilor
decât la valori ridicate ale intensităţii câmpului electric. Străpungerea electrică
prin accelerarea electronilor în acest caz este de scurtă durată şi distructivă
producându-se fărâmiţarea materialului pe direcţia de străpungere.
Străpungerea izolatorilor solizi poate avea la bază şi un mecanism termic;
prin creşterea temperaturii creşte agitaţia termică, electronii pot ajunge mai uşor în
banda de conducţie ceea ce conduce la creşterea curentului de conducţie, care
prin efect Joule face să crească şi mai mult temperatura; se ajunge astfel la o
creştere în avalanşă a temperaturii, care continuă până la străpungerea electrică şi
distrugerea materialului.
O caracteristică importantă a materialelor electroizolante este aceea de a se
polariza electric; un material este polarizat electric, dacă fără a avea densitate de
Fig. 4. 10. Rigiditatea dielectrică
Capitolul 4 Proprietăţile electrice şi magnetice ale materialelor
139
sarcină electrică produce câmp electric şi este supus unor acţiuni ponderomotoare
când este introdus în câmp electric exterior; materialele care se polarizează se
numesc dielectrici; la nivel microstructural moleculele unor dielectrici pot avea o
polarizare spontană, adică fiecare moleculă este un dipol microscopic (dielectrici
polari); datorită orientării aleatoare a moleculelor, la nivel macroscopic în absenţa
unui câmp electric exterior nu se înregistrează o dispunere preferenţială a
sarcinilor electrice nici în cazul dielectricilor polari. Toate materialele dielectrice
sunt electroizolante, dar nu toate materialele electroizolante sunt şi dielectrici.
Sub acţiunea unui câmp electric exterior materialele dielectrice se
polarizează prin unul din următoarele mecanisme: polarizare electronică realizată
prin deformarea învelişului electronic sub acţiunea câmpului electric exterior
(v.fig. 4. 11a); polarizare ionică realizată prin modificarea distanţelor dintre ionii
de sarcini diferite (v. fig. 4. 11b); polarizarea de orientare care se produce în
cazul moleculelor polare prin orientarea acestor dipoli microscopici în câmpul
electric exterior (v. fig. 4. 11. c);
Intre inducţia electrică D şi câmpul electric E dintr-un material care nu
rămâne cu polarizaţie permanentă există relaţiaD =εE, unde factorul de
proporţionalitate ε este permitivitatea electrică absolută a materialului. Pentru
caracterizarea materialelor electroizolante se foloseşte permitivitatea relativă εr
numită şi constanta dielectrică a materialului şi definită prin raportul ε / εo, unde
εo = 8, 854x10-12 C/Nm este permitivitatea vidului. Permitivitatea relativă variază
de la εr ≈1 în cazul dielectricilor gazoşi la εr = 3…15 în cazul dielectricilor polari
solizi, sau chiar εr = 100…1000 în cazul materialelor feroelectrice (dielectrici la
care inducţia electrică D variază neliniar cu intensitatea câmpului electric E,
rezultând o buclă de histerezis electric asemănătoare histerezisului magnetic).
Fig. 4. 11. Polarizarea electrică:
a – electronică; b – ionică; c – de orientare