Што се полупроводници? отпорност на полупроводници. Како отпорот зависи од температурата Како што температурата се зголемува, отпорот на проводникот се зголемува
Во својата пракса, секој електричар наидува на различни услови за минување на носителите на полнеж во метали, полупроводници, гасови и течности. На големината на струјата влијае електричниот отпор, кој варира на различни начини под влијание на околината.
Еден од овие фактори е ефектот на температурата. Бидејќи значително ги менува условите за проток на струја, дизајнерите го земаат предвид при производството на електрична опрема. Електричниот персонал вклучен во одржувањето и работењето на електричните инсталации мора компетентно да ги користи овие карактеристики во практичната работа.
Ефектот на температурата врз електричниот отпор на металите
На училишен курс по физика, се предлага да се спроведе таков експеримент: земете амперметар, батерија, парче жица, поврзувачки жици и горилник. Наместо амперметар со батерија, можете да поврзете омметар или да го користите неговиот режим во мултиметар.
Сега го доведуваме пламенот на горилникот до жицата и почнуваме да го загреваме. Ако го погледнете амперметарот, ќе видите дека стрелката ќе се помести налево и ќе ја достигне позицијата означена со црвено.
Резултатот од експериментот покажува дека кога металите се загреваат, нивната спроводливост се намалува, а отпорот се зголемува.
Математичкото оправдување за оваа појава е дадено со формулите директно на сликата. Понискиот израз јасно покажува дека електричниот отпор „R“ на металниот проводник е директно пропорционален на неговата температура „Т“ и зависи од уште неколку параметри.
Како загревањето на металите ја ограничува електричната струја во пракса
Ламби со вжарено
Секој ден, кога осветлувањето е вклучено, се среќаваме со манифестацијата на овој имот во лампи со вжарено. Ќе извршиме едноставни мерења на сијалица со моќност од 60 вати.
Со наједноставниот омметар, напојуван од нисконапонска батерија од 4,5 V, го мериме отпорот помеѓу базните контакти и ја гледаме вредноста од 59 оми. Оваа вредност ја поседува филамент во ладна состојба.
Ја навртуваме сијалицата во кертриџот и преку амперметарот го поврзуваме напонот на домашната мрежа од 220 волти со неа. Иглата на амперметарот ќе покаже 0,273 ампери. Дозволете ни да го одредиме отпорот на филаментот во загреана состојба. Ќе биде 896 оми и ќе го надмине претходното отчитување на омметарот за 15,2 пати.
Таквиот вишок го штити металот на телото на топлина од изгорување и уништување, обезбедувајќи негово долгорочно работење под напон.
Преодни моменти за вклучување
Кога влакното е во функција, на него се создава термичка рамнотежа помеѓу загревањето од електричната струја што поминува и отстранувањето на дел од топлината во околината. Но, во почетната фаза на вклучувањето, кога се применува напон, се случуваат минливи транзиенти кои создаваат приливна струја, што може да доведе до изгорување на влакното.
Преодните процеси се случуваат за кратко време и се предизвикани од фактот што стапката на зголемување на електричниот отпор од загревањето на металот не држи чекор со зголемувањето на струјата. По нивното завршување се поставува режимот на работа.
За време на долгиот сјај на светилката, дебелината на нејзиното влакно постепено достигнува критична состојба, што доведува до изгорување. Најчесто, овој момент се јавува при следното ново вклучување.
За да се продолжи животниот век на светилката, оваа налетна струја се намалува на различни начини, користејќи:
1. уреди кои обезбедуваат непречено напојување и отстранување на напонот;
2. кола за поврзување на отпорници, полупроводници или термистори (термистори) во серија со филаментот.
Пример за еден од начините да се ограничи струјата на налетот на автомобилските светла е прикажан на сликата подолу.
Овде, струјата се доставува до сијалицата по вклучувањето на прекинувачот SA преку осигурувачот FU и е ограничена со отпорникот R, чија вредност е избрана така што тековниот бран за време на транзиенти не ја надминува номиналната вредност.
Кога влакното се загрева, неговиот отпор се зголемува, што доведува до зголемување на потенцијалната разлика помеѓу неговите контакти и паралелно поврзаното намотување на релето KL1. Кога напонот ќе ја достигне поставката на релето, нормално отворениот контакт KL1 се затвора и го исфрла отпорот. Работната струја на веќе воспоставениот режим ќе почне да тече низ сијалицата.
Ефектот на температурата на металот врз неговиот електричен отпор се користи во работата на мерните инструменти. Тие се нарекуваат .
Нивниот чувствителен елемент е направен од тенка метална жица, чија отпорност внимателно се мери на одредени температури. Оваа нишка е монтирана во куќиште со стабилни топлински својства и покриено со заштитна обвивка. Создадената структура се поставува во средина чија температура мора постојано да се следи.
Жиците на електричното коло се монтирани на приклучоците на осетливиот елемент, со кој е поврзан колото за мерење отпор. Неговата вредност се претвора во температурни вредности врз основа на претходно извршената калибрација на инструментот.
Baretter - струен стабилизатор
Ова е името на уредот кој се состои од стаклен запечатен цилиндар со гасовит водород и метална жичана спирала направена од железо, волфрам или платина. Овој дизајн по изглед наликува на блескаво сијалица, но има специфична нелинеарна карактеристика на волт-ампер.
На CVC, во одреден опсег, се формира работна зона, која не зависи од флуктуациите на напонот што се применува на грејното тело. Во овој дел, размената добро ги компензира брановите на моќноста и работи како струен стабилизатор на оптоварување поврзано во серија со него.
Работата на размената се заснова на својството на топлинска инерција на филаментот, што е обезбедено од малиот пресек на влакното и високата топлинска спроводливост на водородот што го опкружува. Поради ова, кога напонот на уредот се намалува, отстранувањето на топлината од неговата нишка се забрзува.
Ова е главната разлика помеѓу ламбите за размена и блескаво осветлување, во кои, со цел да се одржи осветленоста на сјајот, тие се обидуваат да ја намалат конвективната загуба на топлина од влакното.
Суперспроводливост
Во нормални услови на животната средина, кога металниот проводник се лади, неговиот електричен отпор се намалува.
Кога ќе се достигне критичната температура, блиску до нула степени според системот за мерење Келвин, доаѓа до остар пад на отпорот до нула. Вистинската слика покажува таква зависност од жива.
Овој феномен, наречен суперспроводливост, се смета за ветувачка област за истражување со цел да се создадат материјали кои можат значително да ја намалат загубата на електрична енергија при нејзиниот пренос на долги растојанија.
Сепак, тековните студии за суперспроводливост открија голем број на законитости кога други фактори влијаат на електричната отпорност на метал кој се наоѓа во регионот на критични температури. Особено, за време на минување на наизменична струја со зголемување на фреквенцијата на нејзините осцилации, се јавува отпор, чија вредност достигнува опсег на обични вредности за хармоници со период на светлосни бранови.
Ефектот на температурата врз електричниот отпор/спроводливост на гасовите
Гасовите и обичниот воздух се диелектрици и не спроведуваат струја. За неговото формирање, потребни се носители на полнеж, кои се јони формирани како резултат на надворешни фактори.
Греењето може да предизвика јонизација и движење на јоните од еден до друг пол на медиумот. Ова може да се потврди со едноставен експеримент. Да ја земеме истата опрема што се користеше за да се одреди ефектот на загревањето врз отпорноста на металниот проводник, само наместо жица, поврзуваме две метални плочи одделени со воздушен простор со жиците.
Амперметар поврзан на колото ќе укаже на отсуство на струја. Ако пламенот на пламеникот е поставен помеѓу плочите, стрелката на уредот ќе отстапи од нула и ќе ја покаже вредноста на струјата што минува низ гасовитиот медиум.
Така, беше утврдено дека јонизацијата се јавува кај гасовите за време на загревањето, што доведува до движење на електрично наелектризираните честички и намалување на отпорноста на медиумот.
На сегашната вредност влијае моќноста на надворешниот применет извор на напон и потенцијалната разлика помеѓу неговите контакти. Тој е способен да го пробива изолациониот слој на гасови при високи вредности. Карактеристична манифестација на таков случај во природата е природното празнење на молња за време на грмотевици.
Приближен приказ на карактеристиката на струја-напон на струјниот тек во гасовите е прикажан на графиконот.
Во почетната фаза, под дејство на температурата и потенцијалната разлика, се забележува зголемување на јонизацијата и поминување на струјата приближно според линеарен закон. Кривата потоа станува хоризонтална кога зголемувањето на напонот не предизвикува зголемување на струјата.
Третата фаза на распаѓање се јавува кога високата енергија на применетото поле ги забрзува јоните така што тие почнуваат да се судираат со неутрални молекули, масовно формирајќи нови носители на полнеж од нив. Како резултат на тоа, струјата нагло се зголемува, формирајќи распаѓање на диелектричниот слој.
Практична употреба на спроводливоста на гасовите
Феноменот на проток на струја низ гасовите се користи во електронски светилки и флуоресцентни светилки.
За да го направите ова, две електроди се ставаат во запечатен стаклен цилиндар со инертен гас:
1. анода;
2. катодна.
Во флуоресцентна светилка, тие се направени во форма на филаменти, кои се загреваат кога се вклучени за да се создаде термионска емисија. Внатрешната површина на колбата е покриена со слој од фосфор. Го емитира спектарот на светлина што го гледаме, кој е формиран од инфрацрвеното зрачење кое доаѓа од жива пареа бомбардирана од струја на електрони.
Струјата на празнење на гас се јавува кога се применува напон со одредена вредност помеѓу електродите лоцирани на различни краеви на сијалицата.
Кога една од филаментите ќе изгори, тогаш емисијата на електрони ќе биде нарушена на оваа електрода и светилката нема да гори. Меѓутоа, ако потенцијалната разлика помеѓу катодата и анодата се зголеми, тогаш повторно ќе се појави празнење на гас во внатрешноста на сијалицата и сјајот на фосфорот ќе продолжи.
Ова ви овозможува да користите LED светилки со скршени филаменти и да го продолжите нивниот животен век. Треба само да се има на ум дека во овој случај потребно е да се зголеми напонот на него неколку пати, а тоа значително ја зголемува потрошувачката на енергија и ризиците од безбедно користење.
Ефектот на температурата врз електричниот отпор на течностите
Преминот на струја во течностите се создава главно поради движењето на катјоните и анјоните под дејство на надворешно применето електрично поле. Само мал дел од спроводливоста е обезбедена од електрони.
Ефектот на температурата врз вредноста на електричниот отпор на течниот електролит е опишан со формулата прикажана на сликата. Бидејќи вредноста на температурниот коефициент α во него е секогаш негативна, тогаш со зголемување на загревањето, спроводливоста се зголемува, а отпорот паѓа како што е прикажано на графиконот.
Овој феномен мора да се земе предвид при полнење на течни автомобилски (и не само) батерии.
Влијанието на температурата врз електричниот отпор на полупроводниците
Промената на својствата на полупроводничките материјали под влијание на температурата овозможи да се користат како:
термичка отпорност;
термоелементи;
фрижидери;
греалки.
Термистори
Ова име се однесува на полупроводнички уреди кои го менуваат својот електричен отпор под влијание на топлина. Тие се многу повисоки од оние на металите.
Вредноста на TCR за полупроводници може да биде позитивна или негативна. Според овој параметар, тие се поделени на позитивни "RTS" и негативни "NTC" термистори. Тие имаат различни карактеристики.
За работа на термисторот, се избира една од точките на неговата струјно-напонска карактеристика:
линеарниот пресек се користи за контрола на температурата или за компензација на променливите струи или напони;
опаѓачка гранка на CVC за елементи со TCS
Употребата на релеен термистор е погодна за следење или мерење на процесите на електромагнетното зрачење што се случуваат на микробрановите фреквенции. Ова обезбеди нивна употреба во системите:
1. контрола на топлина;
2. аларм за пожар;
3. контрола на протокот на медиум и течности.
Силиконските термистори со мал TCR>0 се користат во системите за ладење и температурната стабилизација на транзисторите.
термоелементи
Овие полупроводници работат врз основа на феноменот Seebeck: кога се загрева залеменото место на два различни метали, на раскрсницата на затворено коло се појавува EMF. На тој начин тие ја претвораат топлинската енергија во електрична енергија.
Дизајнот на два такви елементи се нарекува термоспој. Неговата ефикасност е во опсег од 7÷10%.
Термоелементите се користат во температурни броила на дигитални компјутерски уреди кои бараат минијатурни димензии и висока точност на отчитувањата, како и извори на струја со мала моќност.
Полупроводнички грејачи и фрижидери
Тие работат со повторна употреба на термопарови низ кои поминува електрична струја. Во овој случај, на едно место од спојот се загрева, а на спротивното се лади.
Полупроводничките споеви базирани на селен, бизмут, антимон, телуриум овозможуваат да се обезбеди температурна разлика во термоелементот до 60 степени. Ова овозможи да се создаде дизајн на фрижидер направен од полупроводници со температура во комората за ладење до -16 степени.
Кај полупроводниците, електричната спроводливост значително зависи од температурата. На температури блиску до апсолутна нула, тие се претвораат во изолатори, а на високи температури нивната спроводливост станува значајна. За разлика од металите, бројот на спроводливи електрони во полупроводниците не е еднаков на бројот на валентни електрони, туку само мал дел од него. Острата зависност на спроводливоста на полупроводниците од температурата покажува дека спроводливите електрони во нив се појавуваат под влијание на топлинското движење.
7. Формулирајте и запишете го Брустеровиот закон. Објаснете го вашиот одговор со цртеж.
Ако тангентата на аголот на инциденца на зракот на интерфејсот на два диелектрика е еднаква на релативниот индекс на рефракција, тогаш рефлектираниот зрак е целосно поларизиран во рамнина нормална на рамнината на инциденца, односно паралелна на интерфејсот помеѓу медиумите
tg a B \u003d n 21.
Овде B е аголот на инциденца на светлината, наречен агол Брустер, n 21 е релативниот индекс на прекршување на вториот медиум во однос на првиот
8. Која е суштината на Хајзенберговите несигурни односи?
x*p x >=h
y*p y >=h
z* p z >=h
E* t>=h
Δx, y, z - неточност во одредувањето на координатата
Δp - неточност во одредувањето на моментумот
Физ. што значи: невозможно е точно да се измери позицијата и моментумот во исто време.
9. Како ќе се промени фреквенцијата на слободните осцилации во осцилаторното коло ако индуктивноста на намотката се зголеми за 4 пати, а капацитетот на кондензаторот се намали за 2 пати?
Одговор: намалување за фактор
10. Наведете го производот од нуклеарната реакција Li + H He +?
11. Колку изнесува индуктивниот отпор на калем со индуктивност од 2 mH при струјна фреквенција на осцилација n = 50 Hz?
R L \u003d wL \u003d 2πνL \u003d 0,628 (Ом). Одговор: R L \u003d 0,628 (Ом)
Ако апсолутниот индекс на прекршување на медиум е 1,5, тогаш колкава е брзината на светлината во оваа средина?
n= c/v 2*10 8
13. Бранова должина на гама зрачење nm. Која потенцијална разлика U мора да се примени на рендгенската цевка за да се добијат рендгенски зраци со оваа бранова должина?
14. Брановата должина на де Брољ за честичка е 2,2 nm. Најдете ја масата на честичката ако таа се движи со брзина .
m== 6, 62*10 -34 /2, 2*10 -9 *10 5 =3, 01*10 -30 ;
Како резултат на расејувањето на фотон од слободен електрон, поместувањето на Комптон се покажало дека е 1,2 часот попладне. Најдете го аголот на расејување.
16. Осцилаторното коло содржи кондензатор од 50nF и индуктивност од 5/(4) μH. Одреди ја брановата должина на зрачењето
17. Работната функција на електрон од платина е . Која е максималната кинетичка енергија на фотоелектрони исфрлени од платината со светлина со бранова должина од 0,5 микрони?
18. Растојанието помеѓу жлебовите на дифракционата решетка d = 4 μm. Нормално, светлината со бранова должина се спушта на решетката = 0,6 µm. Кој е максималниот редослед на оваа решетка?
d=4µm, , dsinj = nl, sinj=1,n= =
Афион. нарачка - 6
19. Колку е слојот на половина апсорпција на светлината d 1/2, ако интензитетот на светлината се намалува за 8 пати кога светлината поминува низ слој супстанција од 30 mm? , , , , , , 
,
20. Во експериментот на Јанг, дупките биле осветлени со монохроматска светлина со бранова должина \u003d 6 10 -5 cm, растојанието помеѓу дупките е 1 mm и растојанието од дупките до екранот е 3 m. Најдете ја позицијата на првата светлосна лента .
Опција 18
1. Магнетното поле се нарекува хомогено ако ... векторот на магнетната индукција е ист во сите точки. пример (постојан магнет)
2. Кои осцилации се нарекуваат принудени?
Принудени осцилации - осцилации кои се јавуваат во кој било систем под влијание на променливо надворешно влијание. Природата на присилните осцилации се одредува и од својствата на надворешното влијание и од својствата на самиот систем.
3. Што се нарекува надворешен фотоелектричен ефект?
Надворешниот фотоелектричен ефект е исфрлање на електрони од супстанција под влијание на електромагнетното зрачење. Надворешниот фотоелектричен ефект е забележан главно кај проводниците
4. Што се нарекува целосно црно тело?
Телото кое е способно целосно да го апсорбира на која било температура целото зрачење од која било фреквенција спаѓа во него се нарекува црно. Следствено, спектралната апсорпција на црно тело за сите фреквенции и температури е идентично еднаква на една ()
5. Формулирајте и запишете го Ламбертовиот закон
Законот Буге - Ламбер - Пиво е физички закон кој го одредува слабеењето на паралелниот монохроматски зрак светлина кога тој се шири во впивачка средина.
каде е интензитетот на влезниот зрак, l е дебелината на слојот на супстанцијата низ која поминува светлината, е индексот на апсорпција
Теми на кодификаторот USE: полупроводници, внатрешна и надворешна спроводливост на полупроводниците.
Досега, зборувајќи за способноста на супстанциите да спроведуваат електрична струја, ги делевме на проводници и диелектрици. Специфичниот отпор на обичните проводници е во опсег од Ohm m; отпорноста на диелектриците ги надминува овие вредности во просек по редови на големина: Ом m.
Но, постојат и супстанции кои, во нивната електрична спроводливост, заземаат средна позиција помеѓу спроводниците и диелектриците. Ова полупроводници: нивната отпорност на собна температура може да добие вредности во многу широк опсег од ом m. Полупроводниците вклучуваат силициум, германиум, селен и некои други хемиски елементи и соединенија (Полупроводниците се исклучително чести во природата. На пример, околу 80% од масата на земјината кора паѓа на супстанции кои се полупроводници). Најмногу се користат силициумот и германиумот.
Главната карактеристика на полупроводниците е тоа што нивната електрична спроводливост нагло се зголемува со зголемување на температурата. Отпорноста на полупроводникот се намалува со зголемување на температурата приближно како што е прикажано на сл. еден .
Ориз. 1. Зависност за полупроводник
Со други зборови, на ниски температури, полупроводниците се однесуваат како диелектрици, а на високи температури, тие се однесуваат како прилично добри проводници. Ова е разликата помеѓу полупроводниците и металите: отпорноста на металот, како што се сеќавате, се зголемува линеарно со зголемување на температурата.
Постојат и други разлики помеѓу полупроводниците и металите. Така, осветлувањето на полупроводникот предизвикува намалување на неговата отпорност (а светлината речиси нема ефект врз отпорноста на металот). Покрај тоа, електричната спроводливост на полупроводниците може многу силно да се промени со воведување дури и занемарлива количина на нечистотии.
Искуството покажува дека, како и во случајот со металите, кога струјата тече низ полупроводник, нема пренос на материја. Затоа, електричната струја во полупроводниците се должи на движењето на електроните.
Намалувањето на отпорноста на полупроводникот кога се загрева, покажува дека зголемувањето на температурата доведува до зголемување на бројот на слободни полнења во полупроводникот. Ништо слично не се случува кај металите; затоа, полупроводниците имаат различен механизам на електрична спроводливост од металите. А причината за тоа е различната природа на хемиската врска помеѓу атомите на металите и полупроводниците.
ковалентна врска
Металната врска, запомнете, ја обезбедува гас од слободни електрони, кој, како лепак, ги задржува позитивните јони на местата на решетката. Полупроводниците се распоредени поинаку - нивните атоми се држат заедно ковалентна врска. Да се потсетиме што е тоа.
Електроните се наоѓаат во надворешното електронско ниво и се нарекуваат валентност, се послаби врзани за атомот од останатите електрони, кои се наоѓаат поблиску до јадрото. Во процесот на формирање на ковалентна врска, два атома придонесуваат „за заедничката кауза“ еден од нивните валентни електрони. Овие два електрони се социјализирани, односно сега припаѓаат на двата атома и затоа се нарекуваат заеднички електронски пар(сл. 2).
Ориз. 2. Ковалентна врска
Социјализираниот пар на електрони само ги држи атомите еден до друг (со помош на електричните привлечни сили). Ковалентната врска е врска што постои помеѓу атомите поради заедничките електронски парови.. Поради оваа причина, се нарекува и ковалентна врска пар-електрон.
Кристална структура на силициум
Сега сме подготвени подетално да ги разгледаме внатрешните делови на полупроводниците. Како пример, разгледајте го најчестиот полупроводник во природата - силициумот. Вториот најважен полупроводник, германиум, има слична структура.
Просторната структура на силициумот е прикажана на сл. 3 (слика од Бен Милс). Атомите на силиконот се прикажани како топчиња, а цевките што ги поврзуваат се канали на ковалентна врска помеѓу атомите.
Ориз. 3. Кристална структура на силициум
Забележете дека секој атом на силикон е поврзан со четирисоседните атоми. Зошто е тоа така?
Факт е дека силиконот е четиривалентен - на надворешната електронска обвивка на силиконскиот атом има четири валентни електрони. Секој од овие четири електрони е подготвен да формира заеднички електронски пар со валентниот електрон на друг атом. И така се случува! Како резултат на тоа, силициумскиот атом е опкружен со четири споени атоми, од кои секој придонесува по еден валентен електрон. Според тоа, околу секој атом има осум електрони (четири сопствени и четири вонземјани).
Ова го гледаме подетално на рамен дијаграм на силиконската кристална решетка (сл. 4).
Ориз. 4. Кристална решетка од силициум
Ковалентните врски се прикажани како парови линии што ги поврзуваат атомите; овие линии делат електронски парови. Секој валентен електрон лоциран на таква линија го поминува поголемиот дел од своето време во просторот помеѓу два соседни атоми.
Сепак, валентните електрони во никој случај не се „цврсто врзани“ за соодветните парови на атоми. Електронските обвивки се преклопуваат ситесоседните атоми, така што секој валентен електрон е заедничко својство на сите соседни атоми. Од некој атом 1, таков електрон може да оди до соседниот атом 2, потоа до соседниот атом 3 итн. Валентните електрони можат да се движат низ просторот на кристалот - се вели дека тие припаѓаат на целиот кристал(наместо каков било атомски пар).
Меѓутоа, силициумските валентни електрони не се слободни (како што е случајот со металот). Во полупроводникот, врската помеѓу валентни електрони и атомите е многу посилна отколку кај металот; силиконските ковалентни врски не се раскинуваат на ниски температури. Енергијата на електроните не е доволна за да започне уредно движење од помал потенцијал кон поголем под дејство на надворешно електрично поле. Затоа, при доволно ниски температури, полупроводниците се блиску до диелектриците - тие не спроведуваат електрична струја.
Сопствена спроводливост
Ако вклучите полупроводнички елемент во електричното коло и почнете да го загревате, тогаш јачината на струјата во колото се зголемува. Затоа, отпорот на полупроводници се намалувасо зголемување на температурата. Зошто се случува ова?
Како што се зголемува температурата, термичките вибрации на атомите на силициумот стануваат поинтензивни, а енергијата на валентните електрони се зголемува. За некои електрони, енергијата достигнува вредности доволни за прекинување на ковалентни врски. Таквите електрони ги напуштаат своите атоми и стануваат бесплатно(или спроводливи електрони) е сосема исто како и кај металот. Во надворешното електрично поле, слободните електрони започнуваат наредено движење, формирајќи електрична струја.
Колку е поголема температурата на силициумот, толку е поголема енергијата на електроните, а поголем број на ковалентни врски не издржува и се кине. Бројот на слободни електрони во силициумскиот кристал се зголемува, што доведува до намалување на неговиот отпор.
Раскинувањето на ковалентните врски и појавата на слободни електрони е прикажано на сл. пет. На местото на скршена ковалентна врска, a дупкае слободно место за електрон. Дупката има позитивенполнење, бидејќи со заминувањето на негативно наелектризиран електрон, останува некомпензиран позитивен полнеж на јадрото на атомот на силициумот.
Ориз. 5. Формирање на слободни електрони и дупки
Дупките не остануваат на своето место - тие можат да талкаат околу кристалот. Факт е дека еден од соседните валентни електрони, „патувајќи“ меѓу атомите, може да скокне на формираното празно место, пополнувајќи ја дупката; тогаш дупката на ова место ќе исчезне, но ќе се појави на местото од каде што дошол електронот.
Во отсуство на надворешно електрично поле, движењето на дупките е случајно, бидејќи валентните електрони талкаат меѓу атомите случајно. Меѓутоа, во електрично поле режијадвижење на дупката. Зошто? Лесно е да се разбере.
На сл. 6 покажува полупроводник поставен во електрично поле. На левата страна на сликата е почетната положба на дупката.
Ориз. 6. Движење на дупка во електрично поле
Каде ќе оди дупката? Јасно е дека најверојатните се хмељот „електрон > дупка“ во насоката противлинии на поле (односно до „плусите“ што го создаваат полето). Еден од овие скокови е прикажан во средниот дел на сликата: електронот скокна налево, пополнувајќи го празното место, а дупката, соодветно, се префрли надесно. Следниот можен скок на електрон предизвикан од електрично поле е прикажан на десната страна на сликата; како резултат на овој скок, дупката зазеде ново место, лоцирана уште повеќе десно.
Гледаме дека дупката како целина се движи контеренски линии - тоа е, каде што треба да се движат позитивни полнежи. Уште еднаш нагласуваме дека насоченото движење на дупката долж полето е предизвикано од скокови на валентни електрони од атом до атом, кои се јавуваат претежно во насока против полето.
Така, постојат два вида носители на полнеж во силиконскиот кристал: слободни електрони и дупки. Кога се применува надворешно електрично поле, се појавува електрична струја, предизвикана од нивното подредено контра движење: слободните електрони се движат спротивно од векторот на јачината на полето, а дупките се движат во насока на векторот.
Појавата на струја поради движењето на слободните електрони се нарекува електронска спроводливост, или n-тип на спроводливост. Процесот на уредно движење на дупките се нарекува спроводливост на дупката, или спроводливост од р-тип(од првите букви на латинските зборови negativus (негативен) и positivus (позитивен)). Двете спроводливост - електрон и дупка - заедно се нарекуваат сопствена спроводливостполупроводник.
Секое заминување на електрон од скршена ковалентна врска генерира пар „слободен електрон-дупка“. Затоа, концентрацијата на слободни електрони во чист силициум кристал е еднаква на концентрацијата на дупките. Соодветно на тоа, кога кристалот се загрева, се зголемува концентрацијата на не само слободни електрони, туку и дупки, што доведува до зголемување на внатрешната спроводливост на полупроводникот поради зголемување и на електронската спроводливост и на дупката.
Заедно со формирањето на парови „слободни електрони-дупки“, се одвива и обратниот процес: рекомбинацијаслободни електрони и дупки. Имено, слободен електрон, кој се среќава со дупка, го пополнува ова празно, враќајќи ја скршената ковалентна врска и претворајќи се во валентен електрон. Така, во полупроводник, динамична рамнотежа: просечниот број на прекини на ковалентни врски и добиените парови електрон-дупка по единица време е еднаков на просечниот број на рекомбинирани електрони и дупки. Оваа состојба на динамичка рамнотежа ја одредува рамнотежната концентрација на слободните електрони и дупки во полупроводник под дадени услови.
Промената на надворешните услови ја поместува состојбата на динамичка рамнотежа во една или друга насока. Вредноста на рамнотежата на концентрацијата на носителите на полнеж природно се менува во овој случај. На пример, бројот на слободни електрони и дупки се зголемува кога полупроводникот се загрева или осветлува.
На собна температура, концентрацијата на слободни електрони и дупки во силициумот е приближно еднаква на cm Концентрацијата на атомите на силициумот е околу cm. Со други зборови, има само еден слободен електрон по атом на силициум! Ова е многу малку. Во металите, на пример, концентрацијата на слободните електрони е приближно еднаква на концентрацијата на атомите. Соодветно, внатрешната спроводливост на силициумот и другите полупроводници во нормални услови е мала во споредба со спроводливоста на металите.
Спроводливост на нечистотија
Најважната карактеристика на полупроводниците е тоа што нивната отпорност може да се намали за неколку реда на големина со внесување дури и многу мала количина на нечистотии. Покрај сопствената спроводливост, полупроводникот има и доминантна спроводливост на нечистотија. Поради овој факт, полупроводничките уреди најдоа толку широка примена во науката и технологијата.
Да претпоставиме дека, на пример, се додава малку петвалентен арсен во топењето на силициумот. По кристализацијата на топењето, излегува дека атомите на арсен заземаат места во некои места на формираната силициумска кристална решетка.
Надворешното електронско ниво на атом на арсен има пет електрони. Четири од нив формираат ковалентни врски со најблиските соседи - атоми на силициум (сл. 7). Каква е судбината на петтиот електрон што не е окупиран во овие врски?
Ориз. 7. Полупроводник од N-тип
И петтиот електрон станува слободен! Факт е дека енергијата на врзување на овој „дополнителен“ електрон со атом на арсен лоциран во силициумски кристал е многу помала од енергијата на врзување на валентни електрони со атоми на силициум. Затоа, веќе на собна температура, речиси сите атоми на арсен, како резултат на термичко движење, остануваат без петти електрон, претворајќи се во позитивни јони. А силициумскиот кристал, соодветно, е исполнет со слободни електрони, кои се откачени од атомите на арсен.
Пополнувањето на кристал со слободни електрони не е ново за нас: го видовме погоре кога се загреваше чистисиликон (без никакви нечистотии). Но, сега ситуацијата е фундаментално поинаква: појавата на слободен електрон што го напушта атомот на арсен не е придружена со појава на подвижна дупка. Зошто? Причината е иста - врската на валентни електрони со атоми на силициум е многу посилна отколку со атомот на арсен на петтото празно место, така што електроните на соседните силициумски атоми немаат тенденција да го пополнат ова празно место. Така, слободното место останува на место, тоа е, како што беше, „замрзнато“ до атомот на арсен и не учествува во создавањето на струјата.
На овој начин, воведувањето на петвалентни атоми на арсен во силициумската кристална решетка создава електронска спроводливост, но не доведува до симетричен изглед на спроводливоста на дупката. Главната улога во создавањето на струјата сега им припаѓа на слободните електрони, кои во овој случај се нарекуваат главни носителинаплаќаат.
Внатрешниот механизам на спроводливост, се разбира, продолжува да работи дури и во присуство на нечистотија: ковалентните врски сè уште се скршени поради термичко движење, создавајќи слободни електрони и дупки. Но, сега има многу помалку дупки од слободните електрони, кои се обезбедени во големи количини од атомите на арсен. Затоа, дупките во овој случај ќе бидат малцинските превозницинаплаќаат.
Се нарекуваат нечистотиите чии атоми даруваат слободни електрони без појава на еднаков број подвижни дупки донатор. На пример, петвалентен арсен е донорска нечистотија. Во присуство на донорска нечистотија во полупроводникот, главните носители на полнеж се слободни електрони, а помалите се дупки; со други зборови, концентрацијата на слободните електрони е многу поголема од концентрацијата на дупките. Затоа се нарекуваат полупроводници со донорски нечистотии електронски полупроводници, или n-тип на полупроводници(или едноставно n-полупроводници).
И колку, интересно, може концентрацијата на слободните електрони да ја надмине концентрацијата на дупките во n-полупроводник? Ајде да направиме едноставна пресметка.
Да претпоставиме дека нечистотијата е , односно има еден атом на арсен на илјада атоми на силикон. Концентрацијата на атоми на силициум, како што се сеќаваме, е од редот на cm.
Концентрацијата на атомите на арсен, соодветно, ќе биде илјада пати помала: cm Концентрацијата на слободни електрони донирани од нечистотијата исто така ќе испадне иста - на крајот на краиштата, секој атом на арсен испушта електрон. И сега да се потсетиме дека концентрацијата на паровите електрон-дупки што се појавуваат кога ковалентните врски на силициумот се прекинуваат на собна температура е приближно еднаква на cm. Дали ја чувствувате разликата? Концентрацијата на слободните електрони во овој случај е поголема од концентрацијата на дупките по редови на големина, односно милијарда пати! Според тоа, отпорноста на силициумскиот полупроводник се намалува за милијарда фактор кога ќе се внесе толку мала количина на нечистотија.
Горенаведената пресметка покажува дека во полупроводниците од n-тип, главната улога навистина ја игра електронската спроводливост. Наспроти позадината на таквата колосална супериорност во бројот на слободни електрони, придонесот на движењето на дупките во вкупната спроводливост е занемарливо мал.
Можно е, напротив, да се создаде полупроводник со доминација на спроводливоста на дупката. Ова ќе се случи ако тривалентна нечистотија се внесе во силиконски кристал - на пример, индиум. Резултатот од таквата имплементација е прикажан на сл. 8 .
Ориз. 8. полупроводник од р-тип
Што се случува во овој случај? Надворешното електронско ниво на атомот на индиум има три електрони кои формираат ковалентни врски со трите околни силициумски атоми. За четвртиот соседен атом на силикон, атомот на индиум веќе нема доволно електрони и на ова место се појавува дупка.
И оваа дупка не е едноставна, туку посебна - со многу висока енергија на врзување. Кога електрон од соседниот силиконски атом ќе влезе во него, тој ќе „заглави засекогаш“ во него, бидејќи привлекувањето на електрон кон атом на индиум е многу големо - повеќе отколку кон атоми на силициум. Атомот на индиум ќе се претвори во негативен јон, а на местото од каде што дошол електронот ќе се појави дупка - но сега обична мобилна дупка во форма на скршена ковалентна врска во силициумската кристална решетка. Оваа дупка на вообичаен начин ќе почне да талка околу кристалот поради „релејното“ пренесување на валентни електрони од еден силикон во друг атом.
И така, секој атом на нечистотија на индиум генерира дупка, но не доведува до симетричен изглед на слободен електрон. Таквите нечистотии, чии атоми „цврсто“ заробуваат електрони и со тоа создаваат подвижна дупка во кристалот, се нарекуваат акцептор.
Тривалентен индиум е пример за нечистотија на акцептор.
Ако нечистотијата на акцепторот се внесе во кристал од чист силициум, тогаш бројот на дупки генерирани од нечистотијата ќе биде многу поголем од бројот на слободни електрони што настанале поради кршење на ковалентни врски помеѓу атомите на силициумот. Полупроводник со акцептор допант е дупка полупроводник, или полупроводник од р-тип(или едноставно p-полупроводник).
Дупките играат главна улога во генерирањето струја во p-полупроводник; дупки - главните носители на полнење. Слободни електрони - помали превознициполнење во p-полупроводник. Движењето на слободните електрони во овој случај не дава значителен придонес: електричната струја се обезбедува првенствено со спроведување на дупката.
p–n спој
Точката на контакт на два полупроводници со различни типови на спроводливост (електрон и дупка) се нарекува транзиција електронска дупка, или p–n спој. Во пределот на p–n спојот се јавува интересна и многу важна појава - еднонасочно спроведување.
На сл. 9 го покажува контактот на регионите од типот p и n; обоените кругови се дупки и слободни електрони, кои се мнозински (или помали) носители на полнеж во соодветните региони.
Ориз. 9. Блокирање слој p-n спој
Со извршување на термичко движење, носителите на полнеж продираат низ интерфејсот помеѓу регионите.
Слободните електрони минуваат од n-регионот во p-регионот и таму се рекомбинираат со дупки; дупките се дифузираат од p-регионот до n-регионот и таму се рекомбинираат со електрони.
Како резултат на овие процеси, некомпензираното полнење на позитивните јони на донорската нечистотија останува во електронскиот полупроводник во близина на границата на контактот, додека во полупроводникот на дупката (исто така во близина на границата), се јавува некомпензиран негативен полнеж на јоните на нечистотијата на акцепторот. . Овие некомпензирани просторни обвиненија формираат т.н бариера слој, чие внатрешно електрично поле спречува понатамошна дифузија на слободни електрони и дупки низ контактната граница.
Сега да поврземе извор на струја со нашиот полупроводнички елемент со примена на „плус“ на изворот на n-полупроводникот и „минус“ за p-полупроводник (сл. 10).
Ориз. 10. Вклучете обратно: нема струја
Гледаме дека надворешното електрично поле ги носи повеќето носители на полнеж подалеку од границата на контактот. Ширината на преградниот слој се зголемува, а неговото електрично поле се зголемува. Отпорот на преградниот слој е висок, а главните носачи не се способни да го надминат p-n спојот. Електричното поле дозволува само малцинските носачи да ја преминат границата, меѓутоа, поради многу ниската концентрација на малцинските носители, струјата што ја создаваат е занемарлива.
Разгледуваната шема се нарекува вклучување на p–n спојот во спротивна насока. Нема електрична струја на главните носачи; има само незначителна миноринска носачка струја. Во овој случај, раскрсницата p-n е затворена.
Сега да го смениме поларитетот на врската и да примениме „плус“ на p-полупроводникот и „минус“ на n-полупроводникот (сл. 11). Оваа шема се нарекува префрлување во насока напред.
Ориз. 11. Префрлување напред: тече струја
Во овој случај, надворешното електрично поле е насочено против полето за блокирање и го отвора патот за главните носители преку p-n спојот. Слојот на бариерата станува потенок, неговата отпорност се намалува.
Има масовно движење на слободни електрони од n-регионот кон p-регионот, а дупките, пак, се брзаат заедно од p-регионот до n-регионот.
Во колото се појавува струја, предизвикана од движењето на главните носачи на полнеж (Сега, сепак, електричното поле ја спречува струјата на малцинските носители, но овој занемарлив фактор нема забележлив ефект врз целокупната спроводливост).
Еднострана спроводливост на p–n спојот се користи во полупроводнички диоди. Диода е уред кој спроведува струја само во една насока; во спротивна насока, не поминува струја низ диодата (се вели дека диодата е затворена). Шематски приказ на диодата е прикажан на сл. 12 .
Ориз. 12. Диода
Во овој случај, диодата е отворена во насока од лево кон десно: полнежите се чини дека течат по стрелката (видете ја на сликата?). Во насока од десно кон лево, обвиненијата се чини дека се потпираат на ѕидот - диодата е затворена.
Кинетичката енергија на атомите и јоните се зголемува, тие почнуваат посилно да осцилираат околу рамнотежните позиции, електроните немаат доволно простор за слободно движење.