Что является носителем тока в полупроводниках
Перейти к содержимому

Что является носителем тока в полупроводниках

  • автор:

Полупроводники

Полупроводники́, вещества, электропроводность которых при комнатной температуре имеет промежуточное значение между электропроводностью металлов (10 6 — 10 4 Ом -1 см -1 ) и диэлектриков (10 -8 — 10 -12 Ом -1 см -1 ), обусловлена переносом электронов и возрастает при повышении температуры. Наиболее существенная особенность полупроводников — способность изменять свои свойства в чрезвычайно широких пределах под влиянием различных воздействий (температуры, освещения, электрического и магнитного поля, внешнего гидростатического давления). В результате таких воздействий характеристики полупроводника могут сильно изменяться, (например, электропроводность может меняться в 10 6 -10 7 раз). Именно эта способность изменять свойства под влиянием внешних воздействий и обусловила широкое применение полупроводников. На основе различных полупроводниковых материалов разработано и создано огромное количество разнообразных полупроводниковых приборов.

Физические свойства полупроводников получили свое объяснение на основе зонной теории, которая позволяет сформулировать критерий, разделяющий твердые вещества на два класса — металлы и полупроводники (диэлектрики). В металлах валентная зона заполнена полностью или перекрывается с зоной проводимости. В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости отделена от валентной зоны запрещенной зоной, и не содержит носителей. Деление неметаллических веществ на полупроводники и изоляторы (диэлектрики) является чисто условным. Ранее к изоляторам относили вещества с величиной запрещенной зоны Eg >2-3 эВ. Однако многие из таких кристаллов являются типичными полупроводниками.

Проводимость в полупроводниках

Электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда (см. дрейф заряженных частиц). В полупроводниках появление носителей заряда определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются химическая чистота материала и температура. В зависимости от чистоты полупроводники подразделяют на собственные и примесные.

В собственном полупроводнике можно пренебречь влиянием примесей при данной температуре. Так как в полупроводниках запрещенная зона не очень широкая, в собственном полупроводнике при температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости абсолютно свободна: он не обладает электропроводностью и ведет себя подобно идеальному диэлектрику. При температурах, отличных от абсолютного нуля, имеется конечная вероятность того, что некоторые из электронов за счет тепловых флуктуаций (неравномерного распределения тепловой энергии между частицами) преодолеют потенциальный барьер и окажутся в зоне проводимости. Вероятность перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости зависит от температуры и ширины запрещенной зоны(Eg), ~-Eg/kT.

В собственном полупроводнике каждый переход электрона в зону проводимости сопровождается образованием дырки в валентной зоне. Благодаря дыркам электроны валентной зоны также принимают участие в процессе электропроводности за счет эстафетных переходов под действием электрического поля на более высокие освободившиеся энергетические уровни. Совокупное поведение электронов валентной зоны можно представить как движение дырок, обладающих положительным зарядом и некоторой эффективной массой. Чем выше температура и меньше ширина запрещенной зоны, тем выше скорость тепловой генерации носителей заряда (электронов и дырок). Одновременно с генерацией в полупроводнике непрерывно идет и обратный процесс, процесс рекомбинации носителей заряда, т.е. возвращение электронов в валентную зону с исчезновением пары носителей заряда. В результате протекания двух конкурирующих процессов в полупроводнике при любой температуре устанавливается некоторая равновесная концентрация электронов no и дырок po, которые равны друг другу в собственном полупроводнике (равновесная концентрация электронов ni = равновесной концентрации дырок pi) . (Индекс i происходит от англ. intrinsic — собственный).

В собственных полупроводниках наблюдается электронно-дырочный механизм проводимости.

Электрофизические свойства примесного полупроводника определяются в первую очередь типом и концентрацией примеси, которая создает дополнительные уровни в запрещенной зоне полупроводника. При малой концентрации примесей расстояние между примесными атомами велико, их электронные оболочки не взаимодействуют друг с другом. Поэтому примесные энергетические уровни являются дискретными, т. е. не расщепляются в зону, как это имеет место для уровней основных атомов кристаллической решетки. Роль дискретных уровней могут играть и всевозможные дефекты структуры, в первую очередь, вакансии и междоузельные атомы. Примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны. Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями. Основными носителями тока в таких полупроводниках являются электроны, возникает электронная проводимость (проводимость n -типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей — акцепторными уровнями. Основные носители заряда в таких полупроводниках — дырки. В них наблюдается дырочная проводимость (проводимость p -типа).

В полупроводниках всегда присутствуют оба типа носителей заряда. Основными называют носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике больше, неосновными — носители заряда, концентрация которых меньше. В полупроводнике n — типа основные носители заряда — электроны, неосновные — дырки, в полупроводнике p-типа дырки — основные, а электроны — неосновные.

Если в полупроводнике n — типа увеличить концентрацию доноров, то возрастет число электронов, переходящих в единицу времени с примесных уровней в зону проводимости. Соответственно возрастет скорость рекомбинации носителей заряда и уменьшится равновесная концентрация дырок. При помощи соотношения:

no . po = n 2 i

называемого соотношением действующих масс для носителей заряда всегда можно, найти концентрацию неосновных носителей заряда, если известна концентрация основных. Характерная особенность полупроводников — рост электропроводности с увеличением температуры — обусловлена ростом концентрации носителей при увеличении температуры.

Механизмы рассеяния и подвижность носителей заряда в полупроводниках

Под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения (скорость дрейфа) и создают электрический ток. Подвижность носителей заряда, равная средней скорости носителей заряда в полупроводнике в электрическом поле с напряженностью 1В/см, зависит от длины их свободного пробега, а, следовательно, определяется процессами рассеяния движущихся в полупроводнике электронов.

Процесс рассеяния представляет собой искривление траектории движения носителя заряда под влиянием сил, действующих на электрон или дырку со стороны рассеивающего центра. Если таким центром является положительный ион, то рассеивающей силой будет кулоновский потенциал, если рассеивающим центром является нейтральный атом примеси, рассеиваемый электрон, сталкиваясь с ним, выбивает электрон, принадлежащий атому, рассеиваемый электрон остается в атоме, а выбитый, получив энергию, движется по измененной траектории. Так как электроны неразличимы, акт обмена электронами рассматривается как акт изменения траектории электрона, т. е. рассеяние. Характерной особенностью рассеяния на нейтральных атомах является независимость времени релаксации от энергии рассеиваемых носителей заряда и температуры. Процесс рассеяния электронов на тепловых колебаниях решетки рассматривается как столкновение с фононом. Поскольку число фононов определяется температурой, то и рассеяние носителей заряда зависит от температуры. Рассеивающими центрами при движении электрона являются также структурные дефекты кристаллической решетки — дислокации, вакансии, имеет место также электрон-электронное рассеяние.

В реальных полупроводниках действуют одновременно несколько механизмов рассеяния, причем вклад каждого из них может сильно меняться с изменением температуры и концентрации примеси.

Механизмы рекомбинации в полупроводниках

Закон действующих масс для носителей заряда применим только к равновесным процессам. Генерация носителей заряда в полупроводниках может осуществляться не только за счет теплового воздействия но и при облучении светом, при воздействии электрического поля, при инжекции через контакт и т. д. В результате таких воздействий в полупроводнике появляются дополнительные, неравновесные носители заряда. Их концентрация является избыточной по отношению к равновесной и после прекращения нетеплового возбуждения полупроводник возвращается в равновесное состояние, при этом избыточная концентрация носителей заряда за счет процесса рекомбинации спадает до нуля. Принцип действия почти всех электронных приборов основан на явлении инжекции неравновесных носителей при воздействии на кристалл внешних сил (световое, электромагнитное излучение радиочастотного диапазона, облучение ядерными частицами и т. д.). Поэтому скорость рекомбинации определяет быстродействие прибора. Чем больше скорость рекомбинации, тем на более высоких частотах будет работать прибор.

Скорость рекомбинации характеризуется временем жизни носителей заряда — характеристическим временем, по истечении которого избыточная концентрация носителей заряда при линейной рекомбинации уменьшается в е раз. Т. е. характеризует среднее время существования избыточной концентрации и зависит от вида и механизма рекомбинации, состава полупроводника, температуры.

Существует два вида рекомбинации: зона — зона, при котором избыточные электроны из зоны проводимости непосредственно переходят в валентную зону, и рекомбинация через глубокие уровни в запрещенной зоне полупроводника.

При рекомбинации происходит отдача энергии, полученной при генерации. Механизмы рекомбинации классифицируют по способу отдачи энергии, выделяющейся при акте захвата носителей при рекомбинации.

Наиболее вероятные механизмы рекомбинации в полупроводниках:

— излучательная рекомбинация, при которой энергия выделяется в виде кванта электромагнитного излучения;

— фононная рекомбинация, связанная с непосредственной передачей выделяющейся энергии колебаниям атомной решетки:

— ударная рекомбинация (эффект Оже), когда энергия сначала передается ближайшему свободному электрону (или дырке), который затем отдает свою избыточную энергию либо колебаниям атомов решетки, либо другим носителям.

Все три механизма могут осуществляться как при рекомбинации зона-зона, так и при рекомбинации через локальные центры.

Оптические явления в полупроводниках

При воздействии на полупроводник светом могут быть реализованы следующие типы взаимодействия квантов света с носителями заряда: собственное поглощение, экситонное поглощение, поглощение на свободных носителях, примесное поглощение.

В случае собственного поглощения происходит взаимодействие фотонов с электронами в валентной зоне, т. е. с собственными электронами атомов, составляющих кристаллическую решетку, Фотоны определенной энергии способны отдать свою энергию этим электронам, оторвать их от атомов и перевести электроны на более высокие энергетические уровни. В этом случае фотоны поглощаются в кристалле. При собственном поглощении переходы могут быть прямые, когда волновой вектор электрона остается неизменным, и электрон и оставляемая им дырка имеют одинаковые квазиимпульсы. Возможны также непрямые переходы с участием фононов, которым передается избыточный импульс. По краю собственного поглощения можно определить ширину запрещенной зоны полупроводника.

В некоторых полупроводниках наблюдается экситонное поглощение. При поглощении фотонов образуются экситоны, которые могут блуждать по кристаллу. При столкновении с примесными центрами экситон может либо распасться и образовать электрон и дырку, либо рекомбинировать и перевести атом в невозбужденное состояние. В первом случае экситону необходима тепловая энергия, во втором — либо происходит излучение кванта энергии, либо энергия экситона переходит решетке полупроводника в виде теплоты.

Поглощение на свободных носителях имеет место, когда фотоны реагируют со свободными носителями заряда в разрешенных зонах. При этом энергия фотонов расходуется на перевод носителей заряда на более высокие уровни. Под действием электрического поля световой волны носители заряда совершают колебательные движения синхронно с полем и при столкновении с узлами решетки отдают накопленную энергию.

В случае примесного поглощения света фотоны взаимодействуют с примесными атомами, ионизируя или возбуждая их. Взаимодействие фотонов с примесными атомами носит резонансный характер.

В полупроводниковых кристаллах также имеет место поглощение света кристаллической решеткой. Оно проявляется в далекой ИК-области спектра и накладывается на другие виды поглощения.

В случае примесного и собственного оптического поглощения происходит генерация неравновесных носителей заряда, которая сопровождается изменением электрических свойств полупроводника при освещении — наблюдается эффект фотопроводимости, используемый для создания широкого класса приборов. К неравновесным оптическим явлениям, характерным для полупроводниковых кристаллов и нашедших широкое применение в полупроводниковом приборостроении относится люминесценция.

Сильно легированные полупроводники

При больших концентрациях примесей или дефектов проявляется их взаимодействие, ведущее к качественным изменениям свойств полупроводников. Это можно наблюдать в сильно легированных полупроводниках, когда что среднее расстояние между атомами примеси становится меньше (или порядка) среднего расстояния а, на котором находится от примеси захваченный ею электрон или дырка. В таких условиях носитель вообще не может локализоваться на каком-либо центре, т. к. он все время находится на сравнимом расстоянии сразу от нескольких одинаковых примесей. Более того, воздействие примесей на движение электронов вообще мало, т. к. большое число носителей со знаком заряда, противоположным заряду примесных ионов, экранируют (т. е. существенно ослабляют) электрическое поле этих ионов. В результате все носители, вводимые с этими примесями, оказываются свободными даже при самых низких температурах.

Полупроводники в сильном электрическом поле

Сильное электрическое поле влияет на подвижность и концентрацию носителей заряда. Существуют несколько механизмов увеличения концентрации носителей в сильном электрическом поле. Основными механизмами являются три: термоэлектрическая (термополевая) ионизация (эффект Френкеля), электростатическая ионизация (туннельный эффект) и ударная ионизация.

Механизм термополевой ионизации реализуется при низких температурах, когда концентрация электронов в зоне проводимости определяется вероятностью их освобождения с донорных уровней. На электрон, находящийся на донорном уровне, в электрическом поле помимо силы кулоновского притяжения к иону-донору действует сила F=-qE, способная помочь электрону оторваться от донора и стать свободным. Т. е. повышается вероятность перехода электронов с донорных уровней в зону проводимости, что и означает увеличение концентрации носителей и возрастание электропроводности.

При более высоких температурах, когда донорная примесь ионизирована полностью, главную роль в увеличении концентрации носителей играют явления, связанные с ударной и электростатической (туннельной) ионизацией решетки кристалла в полях большой напряженности.

Дополнительная литература

  • Королева Л. И. Магнитные полупроводники. — М.: Физ. фак. МГУ 2003.
  • Сложные полупроводники. Получение, свойства, применение. — Ужгород: Ужгород. ун-т, 1981.
  • Анатычук Л. И. Полупроводники в экстремальных температурных условиях . — СПб.: Наука, 2001.
  • Полумагнитные полупроводники. — М.: Мир, 1992.

Носители электрического тока

Носители электрического тока — это заряженные частицы или квазичастицы, которые могут свободно перемещаться внутри проводников и создавать электрический ток. Носителями электрического заряда могут являться:

  • в металлах — электроны,
  • в электролитах — ионы (катионы и анионы),
  • в газах — ионы и электроны,
  • в вакууме при определённых условиях — электроны,
  • в полупроводниках — электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость).

Электричество в наши дни принято определять как «электрические заряды и связанные с ними электромагнитные поля». Само существование электрических зарядов обнаруживается через их силовое воздействие на другие заряды. Пространство вокруг всякого заряда обладает особыми свойствами: в нем действуют электрические силы, проявляющиеся при внесении в это пространство других зарядов. Такое пространство является силовым электрическим полем.

Пока заряды неподвижны, пространство между ними обладает свойствами электрического (электростатического) поля. Но когда заряды движутся, то вокруг них возникает также магнитное поле. Мы рассматриваем порознь свойства электрического и магнитного полей, но в действительности электрические процессы всегда связаны с существованием электромагнитного поля.

Носители электрического тока

Мельчайшие электрические заряды входят как составные части в атом. Атом есть наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств. Атом является весьма сложной системой. Его масса в большей своей части сосредоточена в ядре. Вокруг последнего по определенным орбитам обращаются электрически заряженные элементарные частицы — электроны.

Силы тяготения удерживают на орбитах планеты, обращающиеся вокруг солнца, а электроны притягиваются к ядру атома электрическими силами. Из опыта известно, что взаимно притягиваются лишь разноименные заряды. Следовательно, заряды ядра атома и электронов должны быть различными по знаку. По историческим причинам принято считать заряд ядра положительным, а заряды электронов — отрицательными.

Многочисленные опыты показали, что электроны атомов любых элементов обладают одинаковым электрическим зарядом и одинаковой массой. Вместе с тем заряд электрона является элементарным, т. е. наименьшим возможным электрическим зарядом.

Электроны

Принято различать электроны, находящиеся на внутренних орбитах атома и на внешних орбитах. Внутренние электроны относительно прочно удерживаются на своих орбитах внутриатомными силами. Но внешние электроны относительно легко могут отделяться от атома и оставаться некоторое время свободными или присоединяться к другому атому. Химические и электрические свойства атома определяются электронами его внешних орбит.

Открытие электрона — это одно из величайших достижений физики XIX века. Электрон был открыт английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1897 году, когда он изучал катодные лучи в вакуумной трубке.

Он показал, что катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частиц, которые он назвал “корпускулами”, а позже они получили название “электроны”. Он также измерил отношение заряда к массе электрона и предложил модель атома, в которой электроны распределены в положительно заряженной сфере.

Томсон объявил о своем открытии на заседании Лондонского королевского общества 29 апреля 1897 года. За свои исследования он получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году.

Открытие электрона стало первым шагом к пониманию структуры атома и субатомных частиц. Электрон является одной из основных элементарных частиц, которые составляют материю, и имеет многочисленные приложения в науке и технике.

Величина положительного заряда ядра атома определяет принадлежность атома к определенному химическому элементу. Атом (или молекула) электрически нейтральны, пока сумма отрицательных зарядов электронов равна положительному заряду ядра. Но атом, потерявший один или несколько электронов, оказывается заряженным положительно вследствие избытка положительного заряда ядра. Он может перемещаться под действием электрических сил (притягиваться или отталкиваться). Такой атом является положительным ионом. Атом, захвативший излишние электроны, становится отрицательным ионом.

Носителем положительного заряда в ядре атома является протон. Это элементарная частица, служащая ядром атома водорода. Положительный заряд протона численно равен отрицательному заряду электрона, но масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Ядра атомов, кроме протонов, содержат также нейтроны — частицы, не обладающие электрическим зарядом. Масса нейтрона в 1838 раз больше массы электрона.

Таким образом, из трех элементарных частиц, образующих атомы, электрическими зарядами обладают только электрон и протон. Но из них лишь заряженные отрицательно электроны могут легко перемещаться внутри вещества, а положительные заряды в обычных условиях могут перемещаться лишь в виде тяжелых ионов, т. е. перенося атомы вещества.

Упорядоченное движение электрических зарядов, т. е движение, имеющее преобладающее направление в пространстве, образует электрический ток. Частицами, движение которых создает электрический ток, — носителями тока в большинстве случаев являются электроны и значительно реже — ионы.

Электричсекий ток

Допуская некоторую неточность, можно определять ток как направленное движение электрических зарядов. Носители тока могут более или менее свободно перемещаться в веществе.

Проводниками называются вещества, относительно хорошо проводящие ток. К числу проводников принадлежат все металлы, в особенности хорошими проводниками являются серебро, медь и алюминий.

Проводимость металлов объясняется тем, что в них часть внешних электронов отщепляется от атомов. Положительные опыты, образовавшиеся вследствие потери этих электронов, связаны в кристаллическую решетку — твердый (ионный) скелет, в промежутках которого находятся свободные электроны в форме своего рода электронного газа.

Малейшее внешнее электрическое поле создает в металле ток, т. е. вынуждает свободные электроны перемешаться в направлении действующих на них электрических сил. Для металлов характерно уменьшение проводимости с увеличением температуры.

Корона на ВЛЭП

Полупроводники проводят электрический ток значительно хуже, чем проводники. К числу полупроводников принадлежит очень большое число веществ, и свойства их весьма разнообразны. Характерным для полупроводников является электронная проводимость (т, е. ток в них создается, как и в металлах, направленным перемещением свободных электронов — не ионов) и, в отличие от металлов, увеличение проводимости при повышении температуры. Вообще для полупроводников характерна также сильная зависимость их проводимости от внешних воздействий — облучения, давления и т. п.

Диэлектрики (изоляторы) практически не проводят ток. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию атомов, молекул или ионов диэлектриков, т. е. смещение под действием внешнего поля упруго связанных зарядок, входящих в состав атома или молекулы диэлектрика. Количество свободных электронов в диэлектриках очень мало.

Нельзя указать жесткие границы между проводниками, полупроводниками и диэлектриками. В электротехнических устройствах проводники служат путем для перемещения электрических зарядов, а диэлектрики нужны, чтобы направить должным образом это движение.

Электрический ток создается вследствие воздействия на заряды сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами. Они создают в проводнике электрическое поле, которое вынуждает положительные заряды перемещаться по направлению действия сил поля, а отрицательные заряды — электроны — в противоположном направлении.

Полезно уточнить представление о поступательном движении электронов в металлах. Свободные электроны находятся в состоянии беспорядочного движения в пространстве между атомами, под обратном тепловому движению молекул. Тепловое состояние тела обусловливается столкновениями молекул друг с другом и столкновениями электронов с молекулами.

Электрон сталкивается с молекулами и меняет направление своего движения, но постепенно все же продвигается вперед, описывая очень сложную кривую. Длительное перемещение заряженных частиц в одном определенном направлении, налагающееся на их беспорядочное движение в разных направлениях, называется их дрейфом. Таким образом, электрический ток в металлах, по современным воззрениям, является дрейфом заряженных частиц.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Носитель заряда

Носители заряда — общее название подвижных частиц или квазичастиц, которые несут электрический заряд и способны обеспечивать протекание электрического тока.

Примерами подвижных частиц являются электроны, ионы. Примером квазичастицы-носителя заряда является дырка.

Чаще всего термин «носители заряда» применяется в физике твёрдого тела и физике полупроводников.

Носители заряда в полупроводниках

В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки. Отношение их концентраций определяет тип проводимости полупроводника. Те носители, концентрация которых выше, называют основными носителями заряда, а носители другого типа — неосновными.

Если концентрация электронов значительно превосходит концентрацию дырок, то такой полупроводник называют полупроводником n-типа проводимости. В этом случае основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями — дырки.

Соответственно, если концентрация дырок выше, чем электронов, то полупроводник называют полупроводником p-типа. В нем основными носителями являются дырки, а неосновными носителями — электроны.

Концентрация равновесных носителей заряда в полупроводнике определяется только температурой образца и концентрацией легирующих примесей. Под действием внешних воздействий (инжекция, облучение образца светом, ионизирующими частицами или ионизирующим излучением) в полупроводнике возникают неравновесные носители заряда, и полная концентрация носителей заряда увеличивается.

Wikimedia Foundation . 2010 .

  • Носитель данных
  • Носители компьютерной информации

1. Электрический ток в металлах, полупроводниках, жидкостях и газах. Действия тока

647px-Zinc-selenide-unit-cell-3D-balls.png

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение.
Модель металла — кристаллическая решётка (рис. 1 ) , в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение.

Рис. 1 . Изображение кристаллической решетки
Ионами называют атомы и молекулы, имеющие либо избыток, либо недостаток электронов.
Ионизацией называют процесс присоединения или отрывания электронов от нейтральных атомов и молекул.

Отрицательными ионами называют атомы и молекулы, присоединившие к себе лишние электроны — приобретшие отрицательный заряд .

Положительными ионами называют атомы и молекулы, потерявшие электроны — приобретшие положительный заряд .

Положительные ионы располагаются в узлах кристаллической решётки. Свободные электроны движутся в пространстве между ними (рис. 2 ).

Рис. 2 . Изображение свободных электронов

В невозбуждённом состоянии атом любого вещества имеет одинаковое количество электронов и протонов, поэтому суммарный их заряд равен нулю. Говорят, что атом электрически нейтрален .

Процесс электризации тела представляет собой приобретение или потерю этим телом электронов и ионов. Подвижными носителями зарядов в твёрдых металлов являются только электроны. При электризации металлических тел с одного на другое переходят только электроны.

В твёрдых телах ионы связаны молекулярными силами и находятся в узлах кристаллической решётки.
Связанным называется электрон, который находится в атоме или молекуле.

Свободным называется электрон, оторвавшийся и не присоединившийся к другим молекулам и атомам, существующий как самостоятельная частица.

Электрический ток в металлах обусловлен наличием свободных подвижных электронов, совокупность которых называют электронным газом .

Электрически нейтральным будет называться вещество, в котором количество положительных зарядов равно количеству отрицательных зарядов.

Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.
Какова же скорость движения электронов в проводнике под действием электрического поля?

Оказывается, скорость движения электронов в проводнике чрезвычайно мала, всего лишь несколько миллиметров в секунду. Почему же тогда лампочка загорается сразу после нажатия на выключатель? Все дело в том, при включении света в проводнике возникает электрическое поле (скорость его распространения около 300 000 км/с), которое заставляет

электроны двигаться в одном направлении по всей длине проводника.

Подтверждением того, что ток в металлах обусловлен движением электронов, явились многочисленные опыты, например, опыт Мандельштама и Папалекси (1916 г.). Цель опыта состояла в проверке того, есть ли масса у носителя электрического тока — электрона. Если масса у электрона есть, то он должен подчиняться законам механики, в частности, закону инерции. К примеру, если движущийся проводник резко затормозить, то электроны ещё некоторое время будут двигаться в том же направлении по инерции.
Для этой проверки исследователи вращали катушку с проходящим током, а затем резко останавливали её. Возникающий бросок тока регистрировали с помощью телефона.
По щелчку тока в телефонах Мандельштам и Папалекси установили, что электрон обладает массой. Но измерить эту массу они не смогли. Поэтому этот опыт — качественный. Позже американские физики Толмен и Стюарт, используя ту же идею вращения катушки, измерили массу электрона. Для этого они измеряли возникающий при торможении катушки заряд на её выводах.

Электрический ток может существовать не только в металлах, но и в других средах: в полупроводниках, газах и растворах электролитов. Носители электрических зарядов в разных средах разные.

Обрати внимание!

Так, в растворах электролитов (солей, кислот и щелочей) носителями являются положительные и отрицательные ионы, в газах — положительные и отрицательные ионы, а также электроны. В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки (дырка — придуманная частица для объяснения механизма проводимости, по сути — свободное место, не занятое электроном).

Из полупроводников изготавливают полупроводниковые приборы (рис. 3 ).

transistor-903642_640.png

Рис. 3 . Изображение транзистора

Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток — являются диэлектриками. При воздействии на полупроводник светом, добавлением примесей или при нагревании появляются свободные носители зарядов, которые при своём направленном движении создают электрический ток. Полупроводник становится проводником.

Свойство полупроводников изменять электропроводность при нагревании используется в термометрах.

Свойство полупроводников изменять электропроводность под воздействием света используется в фотосопротивлениях для создания сигнализации, при сортировке деталей.

В экстренных ситуациях они позволяют автоматически останавливать станки и конвейеры, предупреждая несчастные случаи.

Исторически принято следующее:
Направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов: движение электронов показано зеленой стрелкой, а направление тока — красной стрелкой (рис. 4 ).

Current_notation.png

Рис. 4 . Изображение направлений тока и движения электронов
Прохождение тока по проводнику сопровождается следующими его действиями:
• Магнитным (наблюдается во всех проводниках).

Используя это свойство, можно найти место обрыва фазового провода приборами, реагирующими на изменения в электромагнитном поле, к примеру, индикаторной отвёрткой с фазоискателем.

Магнитное действие тока используют в устройстве гальванометра. Для этой цели между полюсами магнита помещают легкую рамку с витками провода. При протекании тока она поворачивается, увлекая за собой стрелку (рис. 5 ).

814px-A_moving_coil_galvanometer._Wellcome_M0016397.png

Рис. 5 . Изображение гальванометра Д’Арсонваля
Чем больше ток, тем больше поворачивается рамка, и тем больше отклонение стрелки гальванометра.

Магнитное действие тока проявляется вне зависимости от агрегатного состояния вещества. При замыкании ключа можно наблюдать, как проволока, намотанная на гвоздь, начинает притягивать небольшие железные предметы. Это свойство широко используется в грузоподъёмных электромагнитах.

• Тепловым (наблюдается во всех проводниках, кроме сверхпроводников).

При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается. Это явление проявляется в любых устройствах, имеющих нагревательный элемент: фен, плойка, электроплита, калорифер, стиральная машина, тостер, электровафельница и т.д. И даже спираль лампочки накаливания нагревается током до яркого накаливания. Под действием тока нагревается и провисает проволока.

• Химическим (наблюдается в электролитах).

Химическое действие тока применяется для покрытия одного металла слоем другого металла, например, при хромировании и никелировании.

НОСИТЕЛИ ТОКА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ? a. ЭЛЕКТРОНЫ И ИОНЫ b. ДЫРКИ И ЭЛЕКТРОНЫ c. ИОНЫ d. ДЫРКИ e. ЭЛЕКТРОНЫ

Носителями тока в полупроводниках являются дырки и свободные электроны. (ответ а) . Для чистого (без примесей) полупроводника число свободных электронов равно числу дырок).

Остальные ответы

дырки электроны

Похожие вопросы

Ваш браузер устарел

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.

Что является носителем тока в полупроводниках

Каким типом проводимости обладают чистые полупроводники?

Выберите один ответ:
a. Только электронной
b. Только дырочной
c. Электронной и дырочной

Отзыв

Правильный ответ:

Электронной и дырочной

Вопрос 3

Текст вопроса

Каким типом проводимости обладают полупроводники с акцепторной примесью?

Выберите один ответ:
1. Электронной и дырочной
2. В основном электронной
3. В основном дырочной

Отзыв

Правильный ответ:

В основном дырочной

Вопрос 4

Текст вопроса

Каким типом проводимости обладают полупроводники с донорной примесью?

Выберите один ответ:
1. В основном дырочной
2. Электронной и дырочной
3. В основном электронной

Отзыв

Правильный ответ:

В основном электронной

Вопрос 5

Текст вопроса

К полупроводнику р—п-типа подключен источник тока, как показано на рисунке. Будет ли амперметр регистрировать ток в цепи?

Выберите один ответ:
3. Определенного ответа дать нельзя.

Отзыв

Правильный ответ:

Вопрос 6

Текст вопроса

К полупроводнику р—п-типа подключен источник тока, как показано на рисунке. Будет ли амперметр регистрировать ток в цепи?

Выберите один ответ:
1. Определенного ответа дать нельзя

Отзыв

Правильный ответ:

Вопрос 7

Текст вопроса

На рисунках представлены три варианта включения полупроводниковых диодов в электрическую цепь с одним и тем же источником тока. В каком случае сила тока в цепи будет иметь максимальное значение?

Выберите один ответ:

Отзыв

Правильный ответ:

Вопрос 8

Текст вопроса

Какую проводимость может иметь база транзистора?

Выберите один ответ:
1. Только электронную проводимость
2. Только дырочную проводимость
3. Может иметь дырочную или электронную проводимость

Отзыв

Правильный ответ:

Может иметь дырочную или электронную проводимость

Вопрос 9

Текст вопроса

Чем объясняется малая толщина базы в транзисторе?

Выберите один ответ:

1. Необходимо, чтобы попадающие в базу с эмиттера основные носители зарядов не успевали рекомбинировать.

2. Необходимо, чтобы база не создавала большого сопротивления
3. Необходимо, чтобы попадающие в базу с эмиттера основные носители зарядов успели рекомбинировать

Отзыв

Правильный ответ:

Необходимо, чтобы попадающие в базу с эмиттера основные носители зарядов не успевали рекомбинировать.

Вопрос 10

Текст вопроса

67FF6E Электрический ток в газах обусловлен упорядоченным движением

Выберите один ответ:
1. отрицательных и положительных ионов, электронов
2. только отрицательных ионов
3. только положительных ионов
4. только электронов

Отзыв

Правильный ответ:

отрицательных и положительных ионов, электронов

Вопрос 11

Текст вопроса

86B578 Какими носителями электрического заряда может создаваться ток в полупроводниках, не содержащих примесей?

Выберите один ответ:
1. только ионами
2. электронами и дырками
3. электронами и ионами
4. только электронами

Отзыв

Правильный ответ:

электронами и дырками

Вопрос 12

Текст вопроса

28E9F4 Какими носителями заряда создается электрический ток в растворах и расплавах электролитов?

Выберите один ответ:
1. электронами и дырками
2. только электронами
3. только ионами
4. электронами и ионами

Отзыв

Правильный ответ:

Вопрос 13

Текст вопроса

6E8FDA Ток в металлах создается движением

Выберите один ответ:
1. только положительных ионов
2. только отрицательных ионов
3. отрицательных и положительных ионов
4. только электронов

Отзыв

Правильный ответ:

Вопрос 14

Текст вопроса

BD6BAE Перенос вещества происходит в случае прохождения электрического тока через

Выберите один ответ:
1. газы и полупроводники
2. металлы и полупроводники
3. электролиты и газы
4. полупроводники и электролиты

Отзыв

Правильный ответ:

электролиты и газы

Вопрос 15

Текст вопроса

A29B92 Какими носителями электрического заряда создается ток в газах и в электролитах?

Выберите один ответ:
1. в газах – только ионами, в электролитах – ионами и электронами
2. и в газах, и в электролитах – только электронами
3. в газах – электронами и ионами, в электролитах – только ионами
4. и в газах, и в электролитах – только ионами

Отзыв

Правильный ответ:

в газах – электронами и ионами, в электролитах – только ионами

Вопрос 16

Текст вопроса

8CE394 Какими носителями электрического заряда создается ток в водном растворе поваренной соли?

Выберите один ответ:
1. электронами и «дырками»
2. только электронами
3. только ионами
4. электронами и ионами

Отзыв

Правильный ответ:

Вопрос 17

Текст вопроса

41A8CA В каких средах при прохождении электрического тока не происходит переноса вещества?

Выберите один ответ:
1. полупроводниках и газах
2. растворах электролитов и металлах
3. металлах и полупроводниках
4. растворах электролитов и газах

Отзыв

Правильный ответ:

металлах и полупроводниках

Вопрос 18

Текст вопроса

Ток в металлах создается движением

Выберите один ответ:
1. только положительных ионов

только отрицательных ионов

3. отрицательных и положительных ионов

Отзыв

Правильный ответ:

Вопрос 19

Текст вопроса

На рисунке показаны два сосуда с раствором медного купороса, соединенные последовательно с источником тока, напряжение на выходных клеммах которого и полярность клемм заданы. На каких из угольных электродов, опущенных в сосуды, будет выделяться медь при пропускании тока через раствор?

Выберите один ответ:
1. только па 2 и 3
2. только на 4
3. только на 2 и 4
4. только па 1

Отзыв

Правильный ответ:

только на 2 и 4

Вопрос 20

Текст вопроса

Электронная пушка создает пучок электронов в стеклянной вакуумированной камере. Все электроны, покинувшие раскаленный катод пушки, покидают катод и ударяются в экран электронно-лучевой трубки. Если увеличить ускоряющее напряжение в пушке в 2 раза, то сила тока, идущего в вакууме через трубку:

Выберите один ответ:

возрастет примерно в 4 раза

2. не изменится
3. возрастет примерно в√2 раз
4. возрастет примерно в 2 раза

Отзыв

Правильный ответ:

возрастет примерно в√2 раз

Вопрос 21

Текст вопроса

Источник тока присоединили к двум пластинам, опущенным в раствор поваренной соли. Сила тока в цепи равна 0,2 А. Какой заряд проходит между пла­стинами в ванне за 2 мин?

Выберите один ответ:

Отзыв

Правильный ответ:

Вопрос 22

Текст вопроса

Какими носителями электрического заряда создается ток в полупроводниках, не содержащих примесей?

Выберите один ответ:

Отзыв

Правильный ответ:

Вопрос 23

Текст вопроса

Какими носителями электрического заряда создается ток в полупроводниках, не содержащих примесей?

Выберите один ответ:
1. электронами и дырками
2. только электронами
3. только ионами
4. электронами и ионами

Отзыв

Правильный ответ:

электронами и дырками

Вопрос 24

Текст вопроса

Какой из приведенных графиков зависимости удельного сопротивления материала от температуры относится к полупроводникам?

Выберите один ответ:

Отзыв

Правильный ответ:

Вопрос 25

Текст вопроса

Стержни из металла и полупроводника нагревают на ΔT градусов каждый. При этом

Выберите один ответ:
1. сопротивление обоих стержней уменьшится

2. сопротивление металлического стержня увеличится, а сопротивление стержня из полупроводника уменьшится

3. сопротивление металлического стержня уменьшится, а сопротивление стержня из полупроводника увеличится

4. сопротивление обоих стержней увеличится

Отзыв

Правильный ответ:

сопротивление металлического стержня увеличится, а сопротивление стержня из полупроводника уменьшится

Вопрос 26

Текст вопроса

При нагревании на несколько градусов сопротивление полупроводника без примесей уменьшилось в 100 раз. Это объясняется тем, что

Выберите один ответ:
1. примерно в 100 раз увеличилась скорость направленного движения свободных носителей заряда

2. примерно в 10 раз увеличились и концентрация свободных носителей заряда, и скорость их направленного движения

3. примерно в 1000 раз увеличилась концентрация свободных носителей и в 10 раз уменьшилась скорость их направленного движения e

4. примерно в 100 раз увеличилась концентрация свободных носителей заряда

Отзыв

Правильный ответ:

примерно в 100 раз увеличилась концентрация свободных носителей заряда

Вопрос 27

Текст вопроса

В четырехвалентный кремний добавили в первом опыте трехвалентный химический элемент, а во втором — пятивалентный элемент. Каким типом проводимости в основном будет обладать полупроводник в каждом случае?

Выберите один ответ:
1. в первом случае — электронной, во втором случае — дырочной
2. в первом случае — дырочной, во втором случае — электронной
3. в обоих случаях электронной
4. в обоих случаях дырочной

Отзыв

Правильный ответ:

в первом случае — дырочной, во втором случае — электронной

Вопрос 28

Текст вопроса

На рисунке показана схема полупроводникового диода, который изготавливают, капая расплавленный трехвалентный индий на примесный кремниевый полу­проводник, в котором содержится небольшая примесь пятивалентного фосфора. В какой из зон основными носителями заряда является

Выберите один ответ:

Отзыв

Правильный ответ:

Вопрос 29

Текст вопроса

Концентрацию донорной примеси в полупроводнике увеличивают в два раза. При этом примерно в 2 раза

Выберите один ответ:
1. уменьшается электронная проводимость
2. уменьшается дырочная проводимость
3. увеличивается электронная проводимость
4. увеличивается дырочная проводимость

Отзыв

Правильный ответ:

увеличивается электронная проводимость

Вопрос 30

Текст вопроса

710B56 Каким типом проводимости обладают полупроводниковые материалы с акцепторными примесями?

Выберите один ответ:
2. В основном электронной
3. В основном дырочной
4. В равной степени электронной и дырочной

Отзыв

Правильный ответ:

В основном дырочной

Вопрос 31

Текст вопроса

A482ED Какой тип проводимости преобладает в полупроводниковых материалах с донорными примесями?

Выберите один ответ:
1. электронный
3. дырочный
4. в равной степени электронный и дырочный

Отзыв

Правильный ответ:

Вопрос 32

Текст вопроса

466F6D Какими носителями электрического заряда создается ток в металлах и беспримесных полупроводниках?

Выберите один ответ:
1. в металлах только электронами, в полупроводниках электронами и «дырками»
2. и в металлах, и в полупроводниках только электронами
3. в металлах и в полупроводниках ионами
4. в металлах только электронами, в полупроводниках только «дырками»

Отзыв

Правильный ответ:

в металлах только электронами, в полупроводниках электронами и «дырками»

Вопрос 33

Текст вопроса

р-п — переход присоединен через металлические контакты к источнику тока так, что к р-зоне присоединена отрицательная клемма источника. Если током не­основных носителей зарядов пренебречь ток

Выберите один ответ:
1. в р-зоне и n -зоне не идет

в р-зоне и п-зоне перехода обеспечивается в равной степени движением дырок и электронов

в р-зоне перехода обеспечивается в основном движением электронов, в п-зоне — дырок

в р-зоне перехода обеспечивается в основном движением дырок, в n-зоне — электронов

Отзыв

Правильный ответ:

в р-зоне и n -зоне не идет

Вопрос 34

Текст вопроса

Какой из графиков, представленных на рисунке, соответствует вольт-амперной характеристике полупроводникового диода, включенного в прямом направлении?

Выберите один ответ:

Отзыв

Правильный ответ:

Вопрос 35

Текст вопроса

К источнику тока присоединены резистор и параллельно ему полупроводниковый диод. У источника можно менять полярность напряжения. При одной полярности напряжения сила тока в источнике равна I, при другой I/2. Сравните сопротивление резистора R и внутреннее сопротивление источника r. Сопротивление диода, включенного в прямом направления, считать равным нулю.

§ 37. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости полупроводников

Полупроводники — широкий класс как неорганических, так и органических веществ в твёрдом или жидком состоянии. Полупроводники обладают многими замечательными свойствами, благодаря которым они нашли широкое применение в различных областях науки и техники. Каковы особенности строения полупроводников?

Рис.

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры и освещённости. Удельное сопротивление полупроводников находится в пределах от 10 –6 до 10 8 Ом · м (при Т = 300 К), т. е. во много раз меньше, чем у диэлектриков, но существенно больше, чем у металлов. В отличие от проводников удельное сопротивление полупроводников резко убывает при увеличении температуры, а также изменяется при изменении освещения и введении сравнительно небольшого количества примесей. К полупроводникам относят ряд химических элементов (бор, углерод, кремний, германий, фосфор, мышьяк, сурьма, сера, селен, теллур и др.), множество оксидов и сульфидов металлов, а также других химических соединений.

Изучить свойства полупроводников можно на опытах. Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, полупроводника и миллиамперметра ( рис. 215 ). Из опыта следует, что при нагревании полупроводника сила тока в цепи возрастает. Возрастание силы тока обусловлено тем, что при увеличении температуры сопротивление полупроводника уменьшается.

Рис.

Проведём ещё один опыт. Изменяя освещённость поверхности полупроводника, наблюдаем изменение показаний миллиамперметра ( рис. 216 ). Результаты наблюдений означают, что при освещении поверхности полупроводника его сопротивление уменьшается.

Таким образом, уменьшить сопротивление полупроводника можно, либо нагревая его, либо воздействуя электромагнитным излучением, например освещая его поверхность.

Природа электрического тока в полупроводниках. Экспериментально установлено, что при прохождении электрического тока в полупроводниках, как и в металлах, никаких химических изменений не происходит, т. е. перенос заряда при прохождении тока не сопровождается переносом вещества. Это свидетельствует о том, что свободными носителями электрического заряда в полупроводниках, как и в металлах, являются электроны.

Рассмотрим механизм проводимости полупроводников на примере кристалла германия Ge, валентность атомов которого равна четырём.

Рис.

Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре сравнительно слабо связанных с ядром валентных электрона. При этом каждый атом кристалла связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями. Два соседних атома объединяют два своих валентных электрона (по одному от каждого атома), которые образуют электронную пару. Поэтому все валентные электроны атома германия участвуют в образовании ковалентных связей. На рисунке 217 изображена плоская схема пространственной решётки кристалла германия. При температуре, близкой к абсолютному нулю, ковалентные связи германия достаточно прочны, поэтому свободные электроны отсутствуют и германий является диэлектриком.

Рис.

Для того чтобы разорвать ковалентную связь и сделать электрон свободным, кристаллу германия необходимо сообщить некоторую энергию, например, нагревая кристалл или облучая его поверхность. При этом часть электронов получает энергию, достаточную для того, чтобы покинуть атомы и стать свободными.

Нейтральный атом, которому принадлежал освободившийся электрон, становится положительно заряженным ионом, а в ковалентных связях образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой ( рис. 218 ).

Одновременно с процессом возникновения свободных электронов и дырок происходит процесс, при котором один из электронов (не свободный, а обеспечивающий ковалентную связь) перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает ковалентную связь. При этом положение дырки меняется, что можно моделировать как её перемещение. Таким образом, при отсутствии внешнего электрического поля в кристалле полупроводника наблюдается беспорядочное перемещение свободных электронов и дырок, концентрации которых в чистом полупроводнике одинаковые.

Интересно знать

Дырочная проводимость в действительности обусловлена «эстафетным» перемещением по вакансиям от одного атома кристалла полупроводника к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь. Дырок, как положительных зарядов, существующих реально, в действительности нет. Тем не менее, представление о них является хорошей физической моделью, которая дает возможность рассматривать электрический ток в полупроводниках на основе законов физики.

Рис.

Дырки считают подвижными носителями положительного заряда, который равен модулю заряда электрона.

При наличии внешнего электрического поля на беспорядочное движение свободных электронов и дырок накладывается их упорядоченное движение, т. е. возникает электрический ток. Причём движение свободных электронов происходит в направлении, противоположном направлению напряжённости внешнего электрического поля, а движение дырок совпадает с направлением напряжённости поля ( рис. 219 ).

Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и дырок в чистом полупроводнике, называют собственной проводимостью полупроводника.

При сообщении полупроводнику энергии концентрация свободных электронов, а следовательно, и дырок возрастает, так как увеличивается число разрывов ковалентных связей. Этим и объясняется уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании и облучении.

Примесная проводимость полупроводников. Изменить свойства полупроводников можно не только нагреванием или воздействием электромагнитного излучения, но и добавлением в чистый полупроводник примесей. Тогда в полупроводнике наряду с собственной проводимостью возникает примесная проводимость.

Проводимость, обусловленную наличием примесей в полупроводнике, называют примесной проводимостью полупроводника.

Рассмотрим механизм этой проводимости на примере кристалла германия Ge, содержащего примесь атомов мышьяка As, валентность которых равна пяти.

Рис.

Четыре валентных электрона атома мышьяка образуют ковалентные связи с соседними атомами германия ( рис. 220 ). Пятые электроны атомов мышьяка не задействованы в образовании ковалентных связей и могут свободно перемещаться, почти как электроны в металлическом проводнике. Проводимость такого кристалла будет преимущественно электронной. Дырки, образующиеся в результате разрыва отдельных ковалентных связей между атомами германия, являются неосновными носителями электрического заряда, так как их концентрация мала по сравнению с концентрацией свободных электронов. Такие полупроводники называют электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа (от лат. negativ ‒ отрицательный).

Примеси, поставляющие в полупроводники свободные электроны без возникновения равного им количества дырок, называют донорными (отдающими). Удельное сопротивление полупроводника с содержанием таких примесей резко уменьшается и может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

Теперь рассмотрим механизм примесной проводимости полупроводника на примере кристалла германия Ge, содержащего примесь атомов индия In, валентность которых равна трем.

Рис.

Валентные электроны атома индия образуют ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия ( рис. 221 ). На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия электрона нет. Поэтому возле каждого атома индия одна из ковалентных связей будет незаполненной, т. е. возникает дырка. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. Но при этом дырка образуется на том месте, где до этого находился электрон.

В результате введения такой примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются дырки. Проводимость такого кристалла будет преимущественно дырочной. Свободные электроны, которые возникают за счет собственной проводимости полупроводника, являются неосновными носителями электрического заряда, так как их концентрация мала по сравнению с концентрацией дырок. Такие полупроводники называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа (от лат. positiv ‒ положительный).

Примеси, наличие которых в полупроводнике приводит к образованию дырок, не увеличивая при этом числа свободных электронов, называют акцепторными (принимающими). Удельное сопротивление полупроводников, содержащих акцепторные примеси, также резко уменьшается.

От теории к практике

Какой проводимостью будет обладать германий при введении в него небольшого количества фосфора? галлия? сурьмы?

Техническое применение полупроводников. Приборы, работа которых основана на свойстве полупроводников изменять своё сопротивление при изменении температуры, называют термисторами или терморезисторами.

Рис.

Терморезисторы ( рис. 222 ) используют для защиты телефонных станций и линий от токовых перегрузок, для пускозащитных реле компрессоров холодильников, поджига люминесцентных ламп, подогрева дизельного топлива; в различных электронагревательных устройствах: нагревательных решётках тепловентиляторов, сушилках для обуви.

Рис.

Приборы, работа которых основана на свойстве полупроводников изменять своё сопротивление при изменении освещённости их поверхности, называют фоторезисторами или фотосопротивлениями ( рис. 223 ). Их используют для регистрации слабых потоков света, при сортировке и счёте готовой продукции, для контроля качества и готовности самых различных деталей; в полиграфической промышленности для обнаружения обрывов бумажной ленты, контроля количества листов бумаги, подаваемых в печатную машину; в медицине, сельском хозяйстве и других областях.

Широкое применение находят полупроводниковые диоды, которые являются основными элементами выпрямителей переменного тока и детекторов электромагнитных сигналов. С помощью полупроводниковых диодов можно осуществить непосредственное превращение энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию. Такие диоды называют фотодиодами ( рис. 224 ).

В электрических устройствах (схемах) используют транзистор — прибор, предназначенный для усиления, генерации, преобразования и коммутации сигналов в электрических цепях.

Светоизлучающий диод (светодиод) — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию непосредственно в световое излучение. Он представляет собой миниатюрный полупроводниковый диод, помещённый в прозрачный корпус ( рис. 225 ). Используя светодиоды, изготавливают, например, светодиодные светильники ( рис. 226 ).

Рис. Рис. Рис.

От теории к практике

Рис.

1. Для сортировки и счёта деталей широко применяют фоторезисторы. Каким свойством полупроводников можно объяснить действие этого прибора?

2. На рисунке 227 представлены графики зависимости силы тока от напряжения для терморезистора. Какой из графиков соответствует более низкой температуре терморезистора? Определите сопротивление терморезистора при более высокой температуре.

Из истории физики

В 2000 г. уроженцу Беларуси Жоресу Ивановичу Алфёрову ( 1930–2019 ) совместно с американскими учёными Гербертом Кремером и Джеком Килби была присуждена Нобелевская премия по физике за «исследование полупроводниковых гетероструктур, лазерных диодов и сверхбыстрых транзисторов».

img

1. Каково строение полупроводников (на примере кристалла германия)?

2. Какова природа электрического тока в полупроводниках?

3. Объясните механизм собственной проводимости полупроводников.

4. Как зависит сопротивление полупроводников от температуры? освещённости?

5. Может ли наблюдаться у полупроводников явление сверхпроводимости? Почему?

6. В чём отличие зависимости электрической проводимости металлических проводников, полупроводников и диэлектриков от температуры? Почему?

7. В каком случае полупроводник может проявлять свойства диэлектрика?

8. Как влияет на проводимость металлических проводников, полупроводников и диэлектриков наличие в них небольшого количества примесей?

9. Приведите примеры использования полупроводниковых приборов.

Электрический ток в жидкостях, в полупроводниках, в вакууме, в газах | теория по физике �� постоянный ток

Напоминаем, что в каждой среде есть свои носители электрических зарядов. В металлах ими служат свободные электроны, в электролитах — положительные и отрицательные ионы, в газах — ионы и электроны, полупроводниках — электроны и дырки, в вакууме — электроны. Электрический ток может течь с переносом и без переноса вещества. Перенос вещества осуществляется только ионами.

Электрический ток в электролитах

Электролиты — жидкости, проводящие электрический ток. К ним относят растворы солей, щелочей и кислот.

Положительные ионы (катионы) движутся к катоду, а отрицательные (анионы) — к аноду.

Пример №1. Электрическая цепь, изображенная на рисунке, включает в себя сосуд со слабым раствором поваренной соли (NaCl) и опущенными в него двумя электродами. В каком направлении (вправо, влево, вверх, вниз) будут двигаться ионы натрия при замыкании ключа:

При замыкании ключа в растворе соли начнут образовываться ионы: положительные в виде Na + и отрицательные в виде Cl – . Положительные ионы будут двигаться к отрицательному электроду (катоду), т.е. вправо.

Электрический ток в полупроводниках

К полупроводникам относят элементы четвертой группы таблицы химических элементов Д.И. Менделеева, которые имеют 4 валентных электрона. Собственная проводимость полупроводников — электронно-дырочная.

При низкой температуре все электроны участвуют в создании ковалентных связей, свободных электронов нет, и полупроводник ведет себя как диэлектрик. При повышении температуры или облучении полупроводников часть ковалентных связей разрушается, и появляются свободные электроны. На месте разрушенной связи возникает электронная вакансия — дырка. Она также перемещается по кристаллу и ведет себя подобно положительной частице.

Зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры и внешнего излучения показана на графике.

В полупроводниках также может осуществляться примесная проводимость.

Донорные примеси — это элементы пятой группы таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Только 4 из 5 валентных электрона участвуют в создании ковалентных связей. Остальные сразу становятся свободными. Полупроводник, основными носителями в котором являются отрицательные электроны, относятся к полупроводникам n-типа.

Акцепторные примеси — элементы третьей группы таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Три валентных электрона устанавливают ковалентные связи, а не месте четвертой появляется дырка. Полупроводник с положительными носителями относится к полупроводникам p-типа.

Применение полупроводниковых приборов

Термисторы — приборы, сопротивление которых изменяется при нагревании. Они позволяют определять малые изменения температуры.

Фоторезисторы — приборы, аналогичные термисторам, но сопротивление в них изменяется не при изменении температуры, а при изменении освещенности.

Полупроводниковый диод — соединение полупроводников двух типов. Обладает односторонней проводимостью.

Электрический ток в вакууме

Получение основных носителей происходит за счет термоэлектронной эмиссией.

Термоэлектронная эмиссия — процесс испускания электронов при нагревании катода до высокой температуры.

Свойства электронных пучков:

  • вызывают нагревание тел;
  • при торможении возникает рентгеновское излучение;
  • при попадании на некоторые вещества (люминофоры) вызывают их свечение;
  • направление электронов может изменять под действием электрического и магнитного полей.

Электрический ток в газах

Электрический ток в газах называют разрядом. Обычно газы состоят из нейтральных молекул, поэтому они являются диэлектриками. Чтобы появились носители электрического заряда, необходима затрата энергии.

Несамостоятельный разряд. При нагреве газа или при облучении его атомов могут отделиться электроны, и атомы превращаются в положительные ионы.

Самостоятельный разряд. В газах при столкновении молекул может освободиться хотя бы один электрон. Если он попадет в электрическое поле, то начнет двигаться с ускорением. Сталкиваясь с нейтральным атомом газа, ускоренный электрон может «выбить» из него другой электрон, превратив сам атом в положительный ион. Электроны будут и дальше ускоряться, разрушая атомы. Ионы создают ток в противоположном направлении. Таким образом, электрический ток в газах создается электронами и ионами.

Текст: Алиса Никитина, 5.7k ��

Задание EF18453

На рис. 1 изображена зависимость силы тока через светодиод D от приложенного к нему напряжения, а на рис. 2 – схема его включения. Напряжение на светодиоде практически не зависит от силы тока через него в интервале значений 0,05 А

Алгоритм решения

Какими носителями заряда создается электрический ток в полупрововодниках без примесей?

IUV

Полупроводник без примесей имеет собственную электронно-дырочную проводимостью , которая состоит из дырочной и электронной
полупроводник с примесями имеет примесную (донорную или акцепторную) и собственную проводимость
примесная проводимость обычно преобладает над собственной

v1248

В полупроводниках без примесей электрический ток создается электронами. Если полупроводник легирован, то основные носители в p полупроводнике положительные дырки — вакансии, в полупроводнике n типа основными носителями являются электроны.

IUV

ответ неверный

cudovkedax

Новые вопросы в Физика

Вычислите скалярное произведение векторов a×b, если a(2; -1; 3), b(4; 2; -1)

Двухтонный автомобиль через 20 секунд после начала движения достигает скорости 54 км час. Вычислите модуль силы тяги действующий на автомобиль

Ручку двери расположили на расстоянии 80 см от оси вращения. Дверь открывается под действием момента силы 1,2 Н×м. Какая сила действует на дверь?

як обчислити силу тяжіння, що діє на тіло відомої маси?

Сила 50Н сообщит ускорение 0,5 м/с². Какая сила сообщит этому телу ускорение 2,2 м/с²? Оформите как задачу Дано и т.д. Спасибо

Какие частицы являются носителями электрических зарядов в полупроводниках

1. Утвори пари: позначення значення величини. Qn Q Q+ Q QF k кількість тіл, що отримують енергію кількість теплоти кількість одержаної теплоти кількіс … ть тіл, що віддають енергію модуль кількості відданої теплоти -​

На поверхні озера поширюється хвиля, профіль якої зображено на рисунку. Чому дорівнюють довжина хвилі та період коливань, якщо хвиля поширюється зі шв … идкість 50 см/с?

чому знаючи тільки шлях не можна визначити кінцеве положення?

Найглибша впадина в океані 11 034 екскурсія по місту тривала 4 години 30 хвилин виразі цю глибину в одиницях CI виразі цей час в одиницях системи CI

какое количество теплоты нужно, чтоб нагреть алюминивый шарик массой 40 грамм от температуры 20°C ло температуры плавления и полностью расплавить?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *