Электрический ток в полупроводниках применение

Применение полупроводников

Увеличение проводимости полупроводников происходит с повышением температуры, так как этому способствует рост количества носителей заряда. Зависимость проводимости полупроводников представляется как:

Где E является энергией активации, k – постоянной Больцмана. Около абсолютного нуля все полупроводники становятся изоляторами. Зависимость их сопротивления от температуры позволяет применять в различных областях техники.

Термисторы

Определение 1

Приборы, которые основываются на зависимости величины сопротивления от температуры, называются термисторами.

Для их производства применяют полупроводники, обладающие существенной величиной отрицательного сопротивления. Их изготавливают в форме цилиндрических стержней, бусин, нитей, располагаемых в баллончиках из стекла, керамики или металла с изоляцией.

Параметры, характеризующие термисторы:

• наличие сопротивления с t=20 °C;
• температурный коэффициент сопротивления при t=20 °C;
• время тепловой инерции – временной промежуток, за который сопротивление термистора изменяется до определенной величины;
• максимальная температура эксплуатации;
• теплоемкость.

По предназначению термисторы классифицируют на:

• Измерительные. Применяют для получения данных о температуре и влажности воздуха. Ток, пропускаемый через него, имеет малую величину, поэтому не способен вызвать заметный разогрев термистора. Температура меняется вместе с температурой окружающей среды.
• Прямого подогрева. Изменение сопротивления происходит за счет джоулева тепла. Его использование способствует стабилизировать напряжение при существенных колебаниях и небольших токах, как в телефонных линиях. Применение позволяет поддерживать постоянство сопротивления электросетей. (Термисторы обладают отрицательным температурным коэффициентом, а остальные металлические элементы – положительным). Они способны заменить движковые реостаты. Данный тип термисторов способен производить нарастание тока в цепи.
• Косвенного подогрева. Нагревание производится за счет внешнего источника. Применяются в качестве сигнализации о перегреве отдельных частей машины.

Фотосопротивления

Электроны в полупроводниках способны переходить в зону проводимости не только при повышении температуры, но и при поглощении фотона (внутренний фотоэффект). Существуют полупроводники, энергия перехода электронов у которых составляет десятые доли электрон-вольта, то есть на сопротивление подобных проводников оказывает влияние не только видимый свет, но и инфракрасное излучение.

Определение 2

Прибор, который основывается на изменении сопротивления полупроводников под действием освещенности, называют фотосопротивлением. Для видимой части спектра применяют полупроводники из селена, германия, сернистого кадмия, таллия. Для инфракрасной – сернистый, селенистый и теллуристый свинец.

Подобные фотосопротивления характеризуются зависимостью фототока I от величины светового потока Φ. В большинстве случаев ее изображают как:

Фотосопротивления применимы для автоматики, сортировке изделий по покраске или размерам.

Варисторы

Опытным путем было доказано, в небольших полях закон Ома для полупроводников считается применимым. У разных веществ величина критического поля имеет отличия. Она зависит от природы полупроводника, температуры, концентрации примесей.

Электропроводность полупроводника от напряженности поля определяется законом Пуля:

Где α является коэффициентом, зависящим от температуры, Ek – напряженность критического поля.

Определение 3

Полупроводники, проводимость которых растет с увеличением напряженности электрического поля, называют варисторами (ограничители перенапряжений).

Примерами полупроводников варисторов считаются такие, в состав которых входит карбид кремния, используемый в виде дисков в разрядниках, защищающих высоковольтные линии электропередач.

Полупроводниковые выпрямители

Некоторые проводники после контакта характеризуются явлением, при котором ток хорошо проходит в одном направлении и практически не идет в обратном. Существование такого эффекта обусловлено наличием разного типа проводимости полупроводников.

Односторонняя проводимость разнородных полупроводников используется в диодах, триодах. Чаще всего применяют германий и кремний. Такие триоды и диоды имеют большой срок работы с малыми габаритами, высоким коэффициентом выпрямления, экономят энергию.

Униполярная проводимость между проводником применяется в вентильных элементах.

Термоэлементы

Термоэлементы изготавливают из полупроводников. Из чего состоят полупроводники? Они включают в себя два полупроводника, соединенные металлической пластиной.

Нагрев полупроводника происходит на месте соединения, на противоположных концах происходит охлаждение. К свободным концам присоединяют внешнюю цепь, так как они считаются полюсами термоэлемента.

Термоэлектрические батареи создают из термоэлементов. Определение термоэлектрической ЭДС Ε возможно по формуле:

Где α1 и α2 – это термоэлектродвижущие силы каждого полупроводника с разностью температур на концах, равняющейся 1°С. КПД термобатарей составляет 6-7%.

При пропускании электротока через термоэлемент, имеет место появление эффекта Пельтье, то есть один спай нагревается, другой охлаждается. Данное явление применимо в холодильной камере.

Пример 1

Происходит отступление от закона Ома в полупроводниках с сильными электрическими полями. С чем это связано?

Решение

Необходимо записать закон Ома в дифференциальной форме:

I=σE (1.1).

Значение I является силой тока, σ – коэффициентом проводимости, E – напряженностью электрического поля.

Определение силы тока происходит по формуле:

I=qenυ (1.2) с qe, являющимся зарядом электрона, n – концентрацией заряженных частиц, υ – скоростью движения электронов. Применим выражения (1.1), (1.2) для получения σ:

σ=qenυE=qenυ (1.3).

Из формулы υ обозначают в качестве неподвижности электронов. Если следовать из выражения (1.3), то происходит соблюдение закона Ома при неизменной подвижности и концентрации во время изменения самой напряженности поля.

При увеличении Е идет рост подвижности электронов и их концентрация, так как поле влияет на энергосостояние электронов в атомах.

Ответ: отступление закона Ома связано с влиянием сильных полей на подвижность электронов и их концентрацию.

Пример 2

Произвести описание процесса появления термоэлектродвижущей силы в полупроводниках.

Решение

Рост кинетической энергии теплового движения электронов в полупроводниках возможен при увеличении абсолютной температуры. Если создается разность температур в полупроводнике, то можно получить рост концентрации электронов на конце при имеющейся там высокой температуре.

Отсюда следует, что будет наблюдаться диффузия свободных электронов по направлению от горячего конца к холодному. Холодный конец получит отрицательный зарядой, а горячий – положительный.

Продолжение диффузии идет до тех пор, пока разность потенциалов не компенсирует диффузионный поток при помощи возникшего электрического тока обратного направления.

Данное равновесие способно определить термо ЭДС.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. На сайте есть раздел посвященный начинающим радиолюбителям, но пока что для начинающих, делающих первые шаги в мир электроники, я толком ничего и не написал. Восполняю этот пробел, и с этой статьи мы начинаем знакомиться с устройством и работой радиокомпонентов (радиодеталей).

Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.

Общие понятия

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний (Si) и Германий (Ge).

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Свойства полупроводников

Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы.

Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи.

А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.

Строение атомов полупроводников

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14.

Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов.

Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу.

На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов.

Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками).

Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами.

То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку.

Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов.

Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона.

В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок.

И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный».

Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок.

А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!

Источник:

1. Борисов В.Г. — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Сайт academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

Урок физики на тему

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Урок в 10-м классе.

Тема: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n-типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы».

Цели:

• образовательные: сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках при наличии примесей с точки зрения электронной теории и опираясь на эти знания выяснить физическую сущность p-n-перехода; научить учащихся объяснять работу полупроводниковых приборов, опираясь на знания о физической сущности p-n-перехода;
• развивающие: развивать физическое мышление учащихся, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес, по­знавательную активность;
• воспитательные: продолжить формирование научного мировоззрения школьников.

Оборудование: презентация по теме: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n-типов. Полупроводниковый диод. Транзистор», мультимедийный проектор.

II. Изучение нового материала.

Слайд 1.

Слайд 2. Полупроводник – вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.

Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Слайд 3.

Механизм проводимости у полупроводников

Слайд 4.

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние Слайд 5.электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.

При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и они ведут себя как диэлектрики.

Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика.

Собственная проводимость бывает двух видов:

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны – сопротивление уменьшается.

Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического поля.

Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

1017 1024

Слайд 7.

2) дырочная (проводимость ” p” – типа)

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном – “дырка”.

Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение “дырки” равноценно перемещению положительного заряда.

Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей. Поэтому полупроводники обладают ещё и дырочной проводимостью.

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей “p” и “n” -типов и называется электронно-дырочной проводимостью.

Полупроводники при наличии примесей

У таких полупроводников существует собственная + примесная проводимость.

Наличие примесей проводимость сильно увеличивает.

При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока – электронов и дырок.

Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют:

Слайд 8. 1) донорные примеси (отдающие) – являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.

Слайд 9. Это проводники ” n ” – типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда – электроны, а неосновной – дырки.

 Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью. Например – мышьяк.

Слайд 10. 2) акцепторные примеси (принимающие) – создают “дырки” , забирая в себя электроны.

Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью. Слайд 11. Например – индий. Слайд 12.

Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости, или, как говорят, в р—n-переходе.

Слайд 13-16.

Электрические свойства “p-n” перехода

“p-n” переход (или электронно-дырочный переход) – область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия.

электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу.

Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.

При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля электрический ток проходит через границу двух полупроводников.

Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

Пропускной режим р-n перехода:

Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода:

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковые диоды

Полупроводник с одним “p-n” переходом называется полупроводниковым диодом.

– Ребята, запишите новую тему: «Полупроводниковый диод». – Какой там ещё идиот?», – с улыбкой переспросил Васечкин. – Не идиот, а диод! – ответил учитель, – Диод, значит имеющий два электрода, анод и катод. Вам ясно? – А у Достоевского есть такое произведение – «Идиот», – настаивал Васечкин.

– Да, есть, ну и что? Вы на уроке физики, а не литературы! Прошу больше не путать диод с идиотом!

Слайд 17–21.

При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, в обратном – сопротивление мало.

Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.

Слайд 22–25.

Транзисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Полупроводниковые транзисторы – также используются свойства” р-n “переходов, – транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как – то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем.

Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer – преобразователь и resistor – сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р – n перехода.

Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя – электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p – n – р.

У транзистора структуры n – p – n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними – область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

При подаче на базу транзистора типа n-p-n положительного напряжения он открывается, т. е. сопротивление между эмиттером и коллектором уменьшается, а при подаче отрицательного, наоборот – закрывается и чем сильнее сила тока, тем сильнее он открывается или закрывается. Для транзисторов структуры p-n-p все наоборот.

Основой биполярного транзистора (рис. 1) служит небольшая пластинка германия или кремния, обладающая электронной или дырочной электропроводимостью, то есть n-типа или p-типа. На поверхности обеих сторон пластинки наплавляют шарики примесных элементов.

1,а), а пластинка n-типа и созданные в ней области p-типа — транзистор структуры p-n-p (рис. 1,б).

Независимо от структуры транзистора его пластинку исходного полупроводника называют базой (Б), противоположную ей по электропроводимости область меньшего объема — эмиттером (Э), а другую такую же область большего объема — коллектором (К).

Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором — коллекторный, а между базой и эмиттером — эмиттерный.

Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и открывается при таких же прямых напряжениях на них.

Условные графические обозначения транзисторов разных структур отличаются лишь тем, что стрелка, символизирующая эмиттер и направление тока через эмиттерный переход, у транзистора структуры p-n-p обращена к базе, а у транзистора n-p-n — от базы.

Слайд 26–29.

III. Первичное закрепление.

1. Какие вещества называются полупроводниками?
2. Какую проводимость называют электронной?
3. Какая проводимость наблюдается ещё у полупроводников?
4. О каких примесях теперь вам известно?
5. В чем заключается пропускной режим p-n- перехода.
6. В чем заключается запирающий режим p-n- перехода.
7. Какие полупроводниковые приборы вам известны?
8. Где и для чего используют полупроводниковые приборы?

IV. Закрепление изученного

1. Как меняется удельное сопротивление полупроводников: при нагревании? При освещении?
2. Будет ли кремний сверхпроводящим, если его охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю? (нет, с понижением температуры сопротивление кремния увеличивается).

V. Домашнее задание.

§ 113-116 – учить, пов. § 109–112.

3.04.2014

Что такое проводник, полупроводник и диэлектрик согласно Зонной теории

В электроэнергетике можно выделить три главные группы материалов: проводник, полупроводник и диэлектрик. Основное их отличие в том, что у них различная проводимость электрического тока. В этой статье поговорим о различии таких материалов и их поведении в электрическом поле.

Что такое проводник

Итак, проводник это – материал (вещество, среда), отлично проводящий электрический ток. Присутствующие в веществе так называемые свободные заряженные частицы (электроны или ионы), способны свободно перемещаться по всему объему вещества, а при приложении электрического напряжения создают ток проводимости.

Главной характеристикой проводника является его «сопротивление» (R), измеряемое в Омах или же обратная величина под названием «проводимость», находится по формуле:

G = 1/R

И измеряется данная величина в Сименс.

Проводники, у которых перенос заряда выполняется преимущественно за счет движения электронов (электронная эмиссия), называются проводниками первого рода. Если в проводниках перемещение заряда выполняется за счет ионов (электролиты), то они называются проводниками второго порядка.

Наибольшее распространение получили металлы, так как они обладают самой лучшей проводимостью, а значит, имеют меньшее сопротивление протекающему электрическому току.

Так, например, жилы всех питающих проводов (шнуров) выполнены из металлов, являющихся проводниками.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют те вещества, которые обладают большим сопротивлением и не пропускают электрический ток либо проводят его в незначительных количествах.

Это обусловлено тем, что в подобных материалах крайне мало находится свободных носителей заряда по причине довольно крепкой атомарной связи. Поэтому при воздействии электрического поля ток в диэлектрике просто отсутствует.

К диэлектрикам относятся такие материалы как: стекло, фарфор, керамика, текстолит, карболит, вода дистиллированная (без солевых примесей), сухое дерево, каучук и т.п.

Диэлектрики так же крайне широко используются в быту. Изоляция проводов, корпуса электроприборов выполнены из диэлектрических материалов.

yandex.ru

Но если создать определенные условия, например, сильно повысить рабочее напряжение, то диэлектрик может стать проводником. Наверняка вы слышали такое выражение как «пробой изоляции».

Главной характеристикой любого диэлектрика считается электрическая прочность (данная величина равна напряжению пробоя).

Что такое полупроводник

Как видно даже из самого названия полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводники в изначальном состоянии не пропускают электрический ток, но стоит приложить к полупроводниковому материалу энергию, то полупроводник из диэлектрика превращается в проводник.

Подобные элементы применяются в радиоэлектронике, из них производят транзисторы, тиристоры, диоды, светодиоды и т. д.

Разграничение веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики объясняются с помощью Зонной теории твердых тел. Она, конечно, не всеми принимается просто, но познакомиться с ней крайне желательно.

Зонная теория твердых тел

Итак, различие между диэлектриками, проводниками и полупроводниками можно объяснить зонной теорией. Она звучит так:

Как известно из модели атома Бора в атоме электроны размещены на определенных орбитах

yandex.ru

В кристаллической решетке твердого тела орбиты электронов изменяются под неизбежным влиянием соседних атомов и электронов. И по этой причине происходит смещение энергетических уровней удержания электронов.

А при приложении электрического потенциала электроны, хаотично перескакивающие по внешним орбитам соседствующих атомов, обретают единый вектор движения и мы наблюдаем электрический ток.

Поэтому нижний слой, где имеются свободно перемещающиеся электроны, называют зоной проводимости.

Валентной зоной называется область разрешенных энергий и располагается она под зоной проводимости.

Для того, чтобы электрон перешел из валентной зоны в зону проводимости, он должен пересечь так называемую запрещенную зону.

Численно она выражается в электрон–вольтах. А энергетические уровни полупроводников, проводников и диэлектриков схематично можно представить следующим образом:

Как видно из рисунка выше у проводника нет запрещенной зоны, то есть валентная зона и зона проводимости имеет область перекрытия. Это значит, что в таком материале даже при незначительном приложении энергии электроны начинают активно перемещаться в пределах тела проводника.

А у диэлектрика запрещенная область настолько широка, что переход электронов из валентной области в проводимую практически исключен. Так как потребуется значительная энергия для преодоления этого барьера, которая вызовет разрушение диэлектрика.

Заключение

Это все, что я хотел вам рассказать о диэлектриках, проводниках и полупроводниках. Если вам статья оказалась интересна и полезна, то оцените ее. И спасибо за ваше внимание!

Фотосопротивления

Как нам известно, электроны в полупроводниках могут переходить в зону проводимости не только при повышении температуры, но и при поглощении фотона (внутренний фотоэффект).

Существуют полупроводники энергия перехода электронов, у которых составляет десятые доли электрон — вольта, то есть на сопротивление подобных проводников оказывает влияние не только видимый свет, но даже инфракрасное излучение. Прибор, основывающийся на изменении сопротивления полупроводников под воздействием освещенности, называют фотосопротивлением.

Для видимой части спектра чаще всего используют полупроводники из селена, германия, сернистого кадмия и таллия. Для инфракрасной части спектра применяют полупроводники из сернистого, селенистого и теллуристого свинца.

Основной характеристикой подобных фотосопротивлений является зависимость фототока (I) от величины светового потока (Ф). Во многих случаях эта зависимость имеет вид:

где $0

Вольт — амперные характеристики фотосопротивлений имеют линейный характер. Фотосопротивления инерционны, это значит, что фототок достигает максимума не мгновенно, спадает он при прекращении освещения, также через некоторое время.

Фотосопротивления используются в автоматике, сортировке изделий по окраске или размерам.

Варисторы

Эмпирически доказано, что в небольших полях закон Ома для полупроводников можно считать применимым. Для разных веществ величина критического поля (напряженность поля при которой начинаются отступления от закона Ома) очень сильно отличается. Величина критического поля зависит от природы полупроводника, температуры, концентрации примесей.

Опытным путем установлено, что электропроводность полупроводника от напряженности поля определяется законом Пуля:

где $\alpha $ — коэффициент, зависящий от температуры, $E_k$ — напряженность критического поля.

Определение 2

Полупроводники, проводимость которых существенно растет с увеличением напряженности электрического поля, называются варисторами (ограничителями перенапряжений). Варисторы из карбида кремния используют в виде дисков в разрядниках, которые защищают высоковольтные линии электропередач.

Полупроводниковые выпрямители

При контакте некоторых полупроводников иногда возникает явление, при котором ток хорошо проходит в одном направлении и почти не течет в обратном. Особенно часто возникает такой эффект, если полупроводники имеют разный тип проводимости.

Односторонняя проводимость касающихся разнородных полупроводников используется в диодах, триодах. Для их изготовления используют обычно германий и кремний.

Такие диоды и триоды имеют довольно большой срок работы, малые габаритные размеры, потребляют мало энергии, коэффициент выпрямления высок.

Униполярная проводимость между проводником и металлом используется в вентильных элементах.

Термоэлементы

Из полупроводников создают термоэлементы. Они состоят из двух полупроводников, которые соединены металлической пластинкой.

Полупроводники нагреваются в месте соединения, противоположные концы при этом охлаждаются (воздухом или иным способом). Свободные концы являются полюсами термоэлемента, к ним присоединяют внешнюю цепь.

Из термоэлементов создают термоэлектрические батареи. Величина термоэлектрической ЭДС ($\mathcal E$) определяется формулой:

Если через термоэлемент пропустить электроток, то возникает эффект Пельтье, один спай нагревается, другой охлаждается. Это явление используют в холодильниках.

Пример 1

Задание: С чем связано отступление от закона Ома, которое возникает у полупроводников в сильных электрических полях?

Решение:

Запишем закон Ома в дифференциальной форме:

\[I=\sigma E\ \left(1.1\right),\]

где $I$ — сила тока, $\sigma $ — коэффициент проводимости, $E$ — напряжённость электрического поля.

Силу тока можно определить как:

\[I=q_env\ \left(1.2\right),\]

где $q_e$ — заряд электрона, $n$ — концентрация заряженных частиц, $v$ — скорость движения электронов. Используем выражения (1.1) и (1.2) получим, $\sigma $ равна:

\[\sigma =\frac{q_env\ }{E}=q_enu\left(1.3\right),\]

где $u$ — подвижность электронов. Из выражения (1.3) следует, что закон Ома соблюдается, если подвижность и концентрация не изменяются при изменении напряженности поля.

При увеличении E выше определенного значения увеличивается подвижность электронов и растет их концентрация, так как сильное поле изменяет энергосостояние электронов в атомах (уменьшается энергия, требуемая для перехода в зону проводимости).

В больших полях свободный электрон получает энергию, которой хватает для ионизации атома решетки или атома примеси, что увеличивает концентрацию электронов проводимости.

Пример 2

Задание: Опишите процесс возникновения термоэлектродвижущей силы в полупроводниках (термоэлектрогенератор).

Решение:

В полупроводниках кинетическая энергия теплового движения свободных электронов растет пропорционально абсолютной температуре. Значит, если в полупроводнике создать разность температур, то на конце с более высокой температурой концентрация электронов вырастет.

Следовательно, в полупроводнике начнется диффузия свободных электронов в направлении от горячего конца к холодному. Холодный конец полупроводника будет иметь отрицательный заряд, горячий — положительный (он потеряет часть электронов).

Диффузия будет идти до момента, когда появившаяся разность потенциалов не компенсирует диффузионный поток возникшим электрическим током обратного направления. Это равновесие определит появившуюся термо ЭДС.