S rastúcou teplotou odpor polovodiča. Čo sú to polovodiče? Odolnosť polovodičov

2. Ako závisí odpor vodiča od jeho teploty? V akých jednotkách sa meria teplotný koeficient odporu?

3. Ako možno vysvetliť lineárnu závislosť odporu vodiča od teploty?

4. Prečo so zvyšujúcou sa teplotou klesá rezistivita polovodičov?

5. Popíšte proces vlastného vedenia v polovodičoch.

Častice vodičov (molekuly, atómy, ióny), ktoré sa nezúčastňujú na tvorbe prúdu, sú v tepelnom pohybe a častice, ktoré tvoria prúd, sú súčasne v tepelnom a smerovom pohybe pôsobením elektrického poľa. V dôsledku toho dochádza k početným zrážkam medzi časticami, ktoré tvoria prúd, a časticami, ktoré sa nezúčastňujú na jeho tvorbe, pričom prvé častice odovzdávajú časť energie nimi prenášaného zdroja prúdu tým druhým. Čím viac zrážok, tým nižšia je rýchlosť usporiadaného pohybu častíc, ktoré tvoria prúd. Ako je vidieť zo vzorca I = enνS zníženie rýchlosti vedie k zníženiu sily prúdu. Skalárna veličina charakterizujúca vlastnosť vodiča znižovať prúdovú silu sa nazýva odpor vodiča. Zo vzorca Ohmovho zákona odporu Ohm - odpor vodiča, v ktorom sa prúd získava silou 1a pri napätí na koncoch vodiča v 1 v.

Odpor vodiča závisí od jeho dĺžky l, prierezu S a materiálu, ktorý sa vyznačuje rezistivitou Čím je vodič dlhší, tým viac za jednotku času dochádza k zrážkam častíc tvoriacich prúd s časticami, ktoré sa nezúčastňujú na jeho vzniku, a preto je odpor vodiča väčší. Čím menší je prierez vodiča, tým je prúdenie častíc, ktoré tvoria prúd, hustejšie a tým častejšie dochádza k ich zrážke s časticami, ktoré sa na jeho vzniku nepodieľajú, a teda aj väčší odpor vodiča.

Pri pôsobení elektrického poľa sa častice, ktoré tvoria prúd, pohybujú zrýchlenou rýchlosťou medzi zrážkami, čím sa zvyšuje ich kinetická energia v dôsledku energie poľa. Keď sa zrazia s časticami, ktoré netvoria prúd, odovzdajú im časť svojej kinetickej energie. V dôsledku toho sa vnútorná energia vodiča zvyšuje, čo sa navonok prejavuje jeho zahrievaním. Zvážte, či sa odpor vodiča pri zahrievaní mení.

V elektrickom obvode je cievka z oceľového drôtu (struna, obr. 81, a). Po uzavretí okruhu začneme ohrievať drôt. Čím viac ho zahrievame, tým menší prúd ukazuje ampérmeter. Jeho pokles pochádza zo skutočnosti, že pri zahrievaní kovov sa zvyšuje ich odpor. Takže odpor vlasu žiarovky, keď nesvieti, je približne 20 ohmov, a keď horí (2900 °C) - 260 ohmov. Pri zahrievaní kovu sa zvyšuje tepelný pohyb elektrónov a rýchlosť oscilácie iónov v kryštálovej mriežke, v dôsledku čoho sa zvyšuje počet zrážok elektrónov, ktoré tvoria prúd s iónmi. To spôsobí zvýšenie odporu vodiča *. V kovoch sú nevoľné elektróny veľmi silne viazané na ióny, preto sa pri zahrievaní kovov počet voľných elektrónov prakticky nemení.

* (Na základe elektronickej teórie nie je možné odvodiť presný zákon závislosti odporu od teploty. Takýto zákon stanovuje kvantová teória, v ktorej sa elektrón považuje za časticu s vlnovými vlastnosťami a pohyb vodivostného elektrónu kovom sa považuje za proces šírenia elektrónových vĺn, ktorých dĺžka je určená vzťah de Broglie.)

Experimenty ukazujú, že pri zmene teploty vodičov z rôznych látok o rovnaký počet stupňov sa ich odpor mení nerovnomerne. Napríklad, ak mal medený vodič odpor 1 ohm, potom po zahriatí 1 °C bude sa brániť 1,004 ohm a volfrám - 1,005 ohm. Na charakterizáciu závislosti odporu vodiča od jeho teploty bola zavedená veličina nazývaná teplotný koeficient odporu. Skalárna hodnota meraná zmenou odporu vodiča o 1 ohm pri 0 ° C zo zmeny jeho teploty o 1 ° C sa nazýva teplotný koeficient odporu α.. Takže pre volfrám sa tento koeficient rovná 0,005 stupňa -1, pre meď - 0,004 deg-1. Teplotný koeficient odporu závisí od teploty. Pre kovy sa s teplotou mení málo. Pri malom teplotnom rozsahu sa považuje za konštantný pre daný materiál.

Odvodíme vzorec, ktorým sa vypočíta odpor vodiča s prihliadnutím na jeho teplotu. Predpokladajme, že R0- odpor vodiča pri 0°С, pri zahriatí na 1 °C zvýši sa o αR 0 a pri zahriatí na t°- na aRt° a stáva sa R = R° + aR°t°, alebo

Závislosť odporu kovov od teploty sa berie do úvahy napríklad pri výrobe špirál pre elektrické ohrievače, svietidlá: dĺžka špirálového drôtu a prípustná sila prúdu sa vypočítajú z ich odporu v zahriatom stave. Závislosť odporu kovov na teplote sa využíva v odporových teplomeroch, ktoré sa používajú na meranie teploty tepelných motorov, plynových turbín, kovu vo vysokých peciach a pod.Tento teplomer pozostáva z tenkej platinovej (niklovej, železnej) špirálovo vinutej na porcelánovom ráme a vložené do ochranného puzdra. Jeho konce sú zapojené do elektrického obvodu s ampérmetrom, ktorého stupnica je odstupňovaná v stupňoch teploty. Keď sa špirála zahreje, prúd v obvode sa zníži, čo spôsobí pohyb ručičky ampérmetra, čo indikuje teplotu.

Prevrátená hodnota odporu daného úseku, obvodu, sa nazýva elektrická vodivosť vodiča(elektrická vodivosť). Elektrická vodivosť vodiča Čím väčšia je vodivosť vodiča, tým menší je jeho odpor a tým lepšie vedie prúd. Názov jednotky elektrickej vodivosti Vodivosť odporu vodiča 1 ohm volal Siemens.

S klesajúcou teplotou klesá odolnosť kovov. Existujú však kovy a zliatiny, ktorých odpor pri nízkej teplote určenej pre každý kov a zliatinu prudko klesá a stáva sa mizivo malým - prakticky sa rovná nule (obr. 81, b). Prichádza supravodivosť- vodič nemá prakticky žiadny odpor a akonáhle v ňom vybudený prúd existuje dlhú dobu, zatiaľ čo vodič má teplotu supravodivosti (v jednom z experimentov bol prúd pozorovaný viac ako rok). Keď prúd prechádza cez supravodič s hustotou 1200 a/mm2 nebolo pozorované žiadne uvoľňovanie tepla. Monovalentné kovy, ktoré sú najlepšími vodičmi prúdu, neprechádzajú do supravodivého stavu až do extrémne nízkych teplôt, pri ktorých sa experimenty robili. Napríklad v týchto experimentoch bola meď ochladená na 0,0156 °K, zlato - predtým 0,0204 °K. Ak by bolo možné získať zliatiny so supravodivosťou pri bežných teplotách, potom by to malo veľký význam pre elektrotechniku.

Podľa moderných koncepcií je hlavnou príčinou supravodivosti tvorba viazaných elektrónových párov. Pri teplote supravodivosti začnú medzi voľnými elektrónmi pôsobiť výmenné sily, ktoré spôsobia, že elektróny vytvoria viazané elektrónové páry. Takýto elektrónový plyn viazaných elektrónových párov má iné vlastnosti ako obyčajný elektrónový plyn – pohybuje sa v supravodiči bez trenia o uzly kryštálovej mriežky.

Každý elektrotechnik sa vo svojej praxi stretáva s rôznymi podmienkami prechodu nosičov náboja v kovoch, polovodičoch, plynoch a kvapalinách. Veľkosť prúdu je ovplyvnená elektrickým odporom, ktorý sa vplyvom prostredia mení rôznymi spôsobmi.

Jedným z týchto faktorov je vplyv teploty. Keďže výrazne mení podmienky pre tok prúdu, berú ho do úvahy konštruktéri pri výrobe elektrických zariadení. Elektrický personál, ktorý sa podieľa na údržbe a prevádzke elektrických inštalácií, musí tieto funkcie kompetentne využívať pri praktickej práci.

Vplyv teploty na elektrický odpor kovov

V školskom kurze fyziky sa navrhuje vykonať takýto experiment: vezmite si ampérmeter, batériu, kúsok drôtu, spojovacie drôty a horák. Namiesto ampérmetra s batériou môžete pripojiť ohmmeter alebo použiť jeho režim v multimetri.

Teraz privedieme plameň horáka k drôtu a začneme ho ohrievať. Ak sa pozriete na ampérmeter, uvidíte, že šípka sa posunie doľava a dosiahne pozíciu označenú červenou farbou.

Výsledok experimentu ukazuje, že pri zahrievaní kovov sa ich vodivosť znižuje a odpor sa zvyšuje.

Matematické zdôvodnenie tohto javu je dané vzorcami priamo na obrázku. Nižšie vyjadrenie jasne ukazuje, že elektrický odpor "R" kovového vodiča je priamo úmerný jeho teplote "T" a závisí od niekoľkých ďalších parametrov.

Ako ohrievanie kovov obmedzuje elektrický prúd v praxi

Žiarovky

Každý deň sa pri zapnutom osvetlení stretávame s prejavom tejto vlastnosti v žiarovkách. Jednoduché merania vykonáme na žiarovke s výkonom 60 wattov.

Najjednoduchším ohmmetrom, napájaným z nízkonapäťovej 4,5 V batérie, zmeriame odpor medzi kontaktmi bázy a vidíme hodnotu 59 ohmov. Túto hodnotu má vlákno v studenom stave.

Zaskrutkujeme žiarovku do kazety a cez ampérmeter k nej pripojíme napätie domácej siete 220 voltov. Ihla ampérmetra bude ukazovať 0,273 ampéra. Stanovme odpor vlákna v zahriatom stave. Bude to 896 ohmov a prekročí predchádzajúci údaj ohmmetra 15,2-krát.

Takýto prebytok chráni kov telesa tepla pred vyhorením a zničením a zabezpečuje jeho dlhodobý výkon pod napätím.

Zapínacie prechodové javy

Keď je vlákno v prevádzke, vytvára sa na ňom tepelná rovnováha medzi ohrevom prechádzajúceho elektrického prúdu a odvodom časti tepla do okolia. Ale v počiatočnej fáze zapínania, keď je aplikované napätie, dochádza k prechodovým javom, ktoré vytvárajú nábehový prúd, ktorý môže viesť k vyhoreniu vlákna.

Prechodné procesy sa vyskytujú v krátkom čase a sú spôsobené skutočnosťou, že rýchlosť nárastu elektrického odporu pri zahrievaní kovu nedrží krok so zvýšením prúdu. Po ich dokončení sa nastaví prevádzkový režim.

Počas dlhého žiaru žiarovky hrúbka jej vlákna postupne dosiahne kritický stav, čo vedie k vyhoreniu. Najčastejšie tento moment nastáva pri ďalšom novom zaradení.

Na predĺženie životnosti lampy sa tento nábehový prúd znižuje rôznymi spôsobmi pomocou:

1. zariadenia, ktoré zabezpečujú plynulé napájanie a odvádzanie napätia;

2. obvody na zapojenie rezistorov, polovodičov alebo termistorov (termistorov) do série s vláknom.

Príklad jedného zo spôsobov, ako obmedziť nábehový prúd pre svetlá auta, je na obrázku nižšie.

Tu je prúd privádzaný do žiarovky po zapnutí pákového spínača SA cez poistku FU a je obmedzený odporom R, ktorého hodnota je zvolená tak, aby prúdový ráz pri prechodových dejoch neprekročil nominálnu hodnotu.

Keď sa vlákno zahrieva, jeho odpor sa zvyšuje, čo vedie k zvýšeniu potenciálneho rozdielu medzi jeho kontaktmi a paralelne zapojeným vinutím relé KL1. Keď napätie dosiahne nastavenie relé, normálne otvorený kontakt KL1 sa zatvorí a odpojí odpor. Cez žiarovku začne pretekať prevádzkový prúd už zavedeného režimu.

Vplyv teploty kovu na jeho elektrický odpor sa využíva pri prevádzke meracích prístrojov. Nazývajú sa .

Ich citlivý prvok je vyrobený z tenkého kovového drôtu, ktorého odpor sa pri určitých teplotách starostlivo meria. Tento závit je namontovaný v puzdre so stabilnými tepelnými vlastnosťami a pokrytý ochranným krytom. Vytvorená konštrukcia je umiestnená v prostredí, ktorého teplotu je potrebné neustále sledovať.

Vodiče elektrického obvodu sú namontované na svorkách citlivého prvku, s ktorým je pripojený obvod merania odporu. Jeho hodnota sa prevedie na hodnoty teploty na základe predtým vykonanej kalibrácie prístroja.

Baretter - stabilizátor prúdu

Tak sa nazýva zariadenie pozostávajúce zo skleneného zataveného valca s plynným vodíkom a špirály z kovového drôtu zo železa, volfrámu alebo platiny. Tento dizajn vzhľadom pripomína žiarovku, ale má špecifickú voltampérovú nelineárnu charakteristiku.

Na CVC sa v určitom rozsahu vytvorí pracovná zóna, ktorá nezávisí od kolísania napätia aplikovaného na vykurovacie teleso. V tejto časti výmenný obchod dobre kompenzuje zvlnenie energie a funguje ako stabilizátor prúdu na záťaži pripojenej do série.

Fungovanie výmenného obchodu je založené na vlastnosti tepelnej zotrvačnosti vlákna, ktorá je zabezpečená malým prierezom vlákna a vysokou tepelnou vodivosťou vodíka, ktorý ho obklopuje. Vďaka tomu sa pri poklese napätia na zariadení zrýchli odvod tepla z jeho závitu.

Toto je hlavný rozdiel medzi výmennými žiarovkami a žiarovkami, v ktorých sa v záujme zachovania jasu žiary snažia znížiť konvekčné tepelné straty z vlákna.

Supravodivosť

Za normálnych podmienok prostredia, keď sa kovový vodič ochladí, jeho elektrický odpor klesá.

Po dosiahnutí kritickej teploty, ktorá sa podľa Kelvinovho systému merania blíži k nule, dôjde k prudkému poklesu odporu na nulu. Pravý obrázok ukazuje takúto závislosť od ortuti.

Tento jav, nazývaný supravodivosť, sa považuje za perspektívnu oblasť výskumu s cieľom vytvárať materiály, ktoré dokážu výrazne znížiť straty elektriny pri jej prenose na veľké vzdialenosti.

Prebiehajúce štúdie supravodivosti však odhalili množstvo zákonitostí, keď iné faktory ovplyvňujú elektrický odpor kovu nachádzajúceho sa v oblasti kritických teplôt. Najmä pri prechode striedavého prúdu so zvyšovaním frekvencie jeho kmitov vzniká odpor, ktorého hodnota dosahuje rozsah bežných hodnôt pre harmonické s periódou svetelných vĺn.

Vplyv teploty na elektrický odpor/vodivosť plynov

Plyny a obyčajný vzduch sú dielektriká a nevedú elektrický prúd. Na jeho vznik sú potrebné nosiče náboja, ktorými sú ióny vznikajúce v dôsledku vonkajších faktorov.

Zahrievanie môže spôsobiť ionizáciu a pohyb iónov z jedného pólu média na druhý. Dá sa to overiť jednoduchým experimentom. Zoberme si rovnaké zariadenie, ktoré sa použilo na určenie vplyvu zahrievania na odpor kovového vodiča, len namiesto drôtu pripojíme k drôtom dve kovové platne oddelené vzduchovým priestorom.

Ampérmeter pripojený k obvodu bude indikovať absenciu prúdu. Ak je medzi platňami umiestnený plameň horáka, šípka zariadenia sa odchýli od nuly a ukáže hodnotu prúdu prechádzajúceho plynným médiom.

Zistilo sa teda, že v plynoch počas zahrievania dochádza k ionizácii, čo vedie k pohybu elektricky nabitých častíc a zníženiu odporu média.

Aktuálna hodnota je ovplyvnená výkonom externého zdroja napätia a potenciálnym rozdielom medzi jeho kontaktmi. Pri vysokých hodnotách je schopný preraziť izolačnú vrstvu plynov. Charakteristickým prejavom takéhoto prípadu v prírode je prirodzený výboj blesku počas búrky.

Približný pohľad na prúdovo-napäťovú charakteristiku toku prúdu v plynoch je znázornený v grafe.

V počiatočnom štádiu sa pri pôsobení teplotného a potenciálneho rozdielu pozoruje zvýšenie ionizácie a prechod prúdu približne podľa lineárneho zákona. Krivka sa potom stane horizontálnou, keď zvýšenie napätia nespôsobí zvýšenie prúdu.

Tretia etapa rozpadu nastáva, keď vysoká energia aplikovaného poľa urýchľuje ióny tak, že sa začnú zrážať s neutrálnymi molekulami a masívne z nich vytvárajú nové nosiče náboja. V dôsledku toho sa prúd prudko zvyšuje, čím sa vytvára rozpad dielektrickej vrstvy.

Praktické využitie vodivosti plynov

Fenomén toku prúdu plynmi sa využíva v elektronických lampách a žiarivkách.

Za týmto účelom sú dve elektródy umiestnené vo vnútri uzavretého skleneného valca s inertným plynom:

1. anóda;

2. katóda.

V žiarivke sú vyrobené vo forme vlákien, ktoré sa po zapnutí zahrievajú, aby sa vytvorila termionická emisia. Vnútorný povrch banky je pokrytý vrstvou fosforu. Vyžaruje spektrum svetla, ktoré vidíme a ktoré je tvorené infračerveným žiarením pochádzajúcim z pár ortuti bombardovaných prúdom elektrónov.

Výbojový prúd plynu nastáva, keď sa medzi elektródy umiestnené na rôznych koncoch banky aplikuje napätie určitej hodnoty.

Keď jedno z vlákien vyhorí, emisia elektrónov bude na tejto elektróde narušená a lampa nebude horieť. Ak sa však potenciálny rozdiel medzi katódou a anódou zväčší, potom vo vnútri banky opäť dôjde k výboju plynu a obnoví sa žiara fosforu.

To vám umožní používať LED žiarovky s prerušenými vláknami a predĺžiť ich životnosť. Treba mať len na pamäti, že v tomto prípade je potrebné na ňom niekoľkokrát zvýšiť napätie, čím sa výrazne zvyšuje spotreba energie a riziká bezpečného používania.

Vplyv teploty na elektrický odpor kvapalín

Prechod prúdu v kvapalinách vzniká hlavne v dôsledku pohybu katiónov a aniónov pôsobením externe aplikovaného elektrického poľa. Len malú časť vodivosti zabezpečujú elektróny.

Vplyv teploty na hodnotu elektrického odporu kvapalného elektrolytu popisuje vzorec uvedený na obrázku. Pretože hodnota teplotného koeficientu α v ňom je vždy záporná, potom so zvyšujúcim sa zahrievaním sa vodivosť zvyšuje a odpor klesá, ako je znázornené na grafe.

S týmto javom treba počítať pri nabíjaní tekutých automobilových (nielen) batérií.

Vplyv teploty na elektrický odpor polovodičov

Zmena vlastností polovodičových materiálov vplyvom teploty umožnila ich použitie ako:

tepelná odolnosť;

termoprvky;

chladničky;

ohrievače.

Termistory

Týmto názvom sa označujú polovodičové zariadenia, ktoré vplyvom tepla menia svoj elektrický odpor. Sú oveľa vyššie ako u kovov.

Hodnota TCR pre polovodiče môže byť kladná alebo záporná. Podľa tohto parametra sa delia na kladné „RTS“ a záporné „NTC“ termistory. Majú rôzne vlastnosti.

Pre prevádzku termistora je vybraný jeden z bodov na jeho charakteristike prúdového napätia:

lineárna časť sa používa na reguláciu teploty alebo kompenzáciu meniacich sa prúdov alebo napätí;

zostupná vetva CVC pre prvky s TCS

Použitie reléového termistora je vhodné na monitorovanie alebo meranie procesov elektromagnetického žiarenia vyskytujúcich sa na mikrovlnných frekvenciách. To zabezpečilo ich použitie v systémoch:

1. regulácia tepla;

2. požiarny poplach;

3. riadenie prietoku sypkých médií a kvapalín.

Kremíkové termistory s malým TCR>0 sa používajú v chladiacich systémoch a teplotnej stabilizácii tranzistorov.

termoprvky

Tieto polovodiče fungujú na základe Seebeckovho javu: keď sa spájkované miesto dvoch odlišných kovov zahreje, na spoji uzavretého okruhu sa objaví emf. Týmto spôsobom premieňajú tepelnú energiu na elektrickú energiu.

Konštrukcia dvoch takýchto prvkov sa nazýva termočlánok. Jeho účinnosť sa pohybuje v rozmedzí 7÷10%.

Termoprvky sa používajú v teplomeroch digitálnych výpočtových zariadení, ktoré vyžadujú miniatúrne rozmery a vysokú presnosť odčítania, ako aj zdroje prúdu s nízkym výkonom.

Polovodičové ohrievače a chladničky

Fungujú na princípe opätovného použitia termočlánkov, cez ktoré prechádza elektrický prúd. V tomto prípade sa na jednom mieste križovatky zahrieva a na opačnom ochladzuje.

Polovodičové prechody na báze selénu, bizmutu, antimónu, telúru umožňujú zabezpečiť teplotný rozdiel v termočlánku až do 60 stupňov. To umožnilo vytvoriť dizajn chladničky z polovodičov s teplotou v chladiacej komore až -16 stupňov.

Aké sú jeho vlastnosti? Aká je fyzika polovodičov? Ako sú postavené? Čo je to polovodičová vodivosť? Aké fyzikálne vlastnosti majú?

Čo je to polovodič?

Týka sa to kryštalických materiálov, ktoré nevedú elektrinu tak dobre ako kovy. Ale napriek tomu je tento ukazovateľ lepší ako izolátory. Takéto vlastnosti sú spôsobené množstvom mobilných operátorov. Všeobecne povedané, existuje silná väzba na jadrá. Ale keď sa do vodiča zavedie niekoľko atómov, napríklad antimón, ktorý má prebytok elektrónov, táto situácia sa napraví. Pri použití india sa získajú prvky s kladným nábojom. Všetky tieto vlastnosti sú široko používané v tranzistoroch - špeciálnych zariadeniach, ktoré môžu zosilňovať, blokovať alebo prepúšťať prúd iba v jednom smere. Ak vezmeme do úvahy prvok typu NPN, môžeme si všimnúť významnú zosilňovaciu úlohu, ktorá je obzvlášť dôležitá pri prenose slabých signálov.

Dizajnové prvky, ktoré majú elektrické polovodiče

Vodiče majú veľa voľných elektrónov. Izolátory ich prakticky vôbec nemajú. Polovodiče na druhej strane obsahujú určité množstvo voľných elektrónov a medzier s kladným nábojom, ktoré sú pripravené prijať uvoľnené častice. A čo je najdôležitejšie, všetky vedú.Typ tranzistora NPN, o ktorom sme hovorili vyššie, nie je jediným možným polovodičovým prvkom. Existujú teda aj tranzistory PNP, ako aj diódy.

Ak hovoríme krátko o druhom, potom je to taký prvok, ktorý dokáže prenášať signály iba jedným smerom. Dióda môže tiež zmeniť striedavý prúd na jednosmerný prúd. Aký je mechanizmus takejto transformácie? A prečo sa pohybuje len jedným smerom? V závislosti od toho, odkiaľ prúd pochádza, sa elektróny a medzery môžu rozchádzať alebo smerovať k sebe. V prvom prípade je v dôsledku zväčšenia vzdialenosti napájanie prerušené, a preto sa prenos záporných nosičov napätia uskutočňuje iba v jednom smere, to znamená, že vodivosť polovodičov je jednostranná. Koniec koncov, prúd môže byť prenášaný iba vtedy, ak sú častice v blízkosti. A to je možné iba vtedy, keď je prúd aplikovaný z jednej strany. Tieto typy polovodičov existujú a v súčasnosti sa používajú.

Štruktúra pásma

Elektrické a optické vlastnosti vodičov súvisia so skutočnosťou, že keď sú energetické hladiny naplnené elektrónmi, sú oddelené od možných stavov zakázaným pásmom. Aké sú jej vlastnosti? Faktom je, že v pásme nie sú žiadne energetické hladiny. Pomocou nečistôt a štrukturálnych defektov sa to dá zmeniť. Najvyšší úplne vyplnený pás sa nazýva valenčný pás. Potom nasleduje povolené, ale prázdne. Nazýva sa to vodivé pásmo. Fyzika polovodičov je pomerne zaujímavá téma a v rámci článku bude dobre pokrytá.

Elektrónový stav

Na tento účel sa používajú pojmy ako počet povolených zón a kvázi-hybnosť. Štruktúru prvého určuje zákon rozptylu. Hovorí, že je ovplyvnená závislosťou energie od kvázi-hybnosti. Ak je teda valenčný pás úplne vyplnený elektrónmi (ktoré nesú náboj v polovodičoch), potom hovoria, že v ňom nie sú žiadne elementárne excitácie. Ak z nejakého dôvodu nie je žiadna častica, znamená to, že sa tu objavila kladne nabitá kvázičastica - medzera alebo diera. Sú nosičmi náboja v polovodičoch vo valenčnom pásme.

Degenerované zóny

Valenčný pás v typickom vodiči je šesťkrát degenerovaný. Toto sa neberie do úvahy interakcia spin-orbita a len vtedy, keď je kvázi-hybnosť nulová. Môže sa rozdeliť za rovnakých podmienok na dvojité a štvornásobné degenerované pásy. Energetická vzdialenosť medzi nimi sa nazýva spin-orbit spliting energy.

Nečistoty a defekty v polovodičoch

Môžu byť elektricky neaktívne alebo aktívne. Použitie prvého umožňuje získať kladný alebo záporný náboj v polovodičoch, ktorý môže byť kompenzovaný objavením sa diery vo valenčnom pásme alebo elektrónu vo vodivom pásme. Neaktívne nečistoty sú neutrálne a majú relatívne malý vplyv na elektronické vlastnosti. Okrem toho môže často záležať na tom, akú mocnosť majú atómy, ktoré sa zúčastňujú procesu prenosu náboja, a na štruktúre

V závislosti od druhu a množstva nečistôt sa môže meniť aj pomer medzi počtom dier a elektrónov. Preto musia byť polovodičové materiály vždy starostlivo vybrané, aby sa dosiahol požadovaný výsledok. Predchádza tomu značný počet výpočtov a následne experimentov. Častice, ktoré sa väčšinou označujú ako väčšinové nosiče náboja, nie sú primárne.

Dávkované zavádzanie nečistôt do polovodičov umožňuje získať zariadenia s požadovanými vlastnosťami. Poruchy polovodičov môžu byť aj v neaktívnom alebo aktívnom elektrickom stave. Dôležitá je tu dislokácia, intersticiálny atóm a vakancia. Kvapalné a nekryštalické vodiče reagujú na nečistoty inak ako kryštalické. Neprítomnosť tuhej štruktúry má v konečnom dôsledku za následok skutočnosť, že vytesnený atóm dostane inú valenciu. Bude sa líšiť od tej, ktorou si na začiatku nasýti kravaty. Pre atóm sa stáva nerentabilné dať alebo pridať elektrón. V tomto prípade sa stáva neaktívnym, a preto dopované polovodiče majú veľkú šancu na zlyhanie. To vedie k tomu, že pomocou dopingu nie je možné zmeniť typ vodivosti a vytvoriť napríklad p-n prechod.

Niektoré amorfné polovodiče môžu vplyvom dopingu meniť svoje elektronické vlastnosti. Ale to platí pre nich v oveľa menšej miere ako pre kryštalické. Citlivosť amorfných prvkov na doping je možné zlepšiť spracovaním. Na záver by som rád poznamenal, že vďaka dlhej a tvrdej práci sú dopované polovodiče stále zastúpené množstvom výsledkov s dobrými vlastnosťami.

Štatistika elektrónov v polovodiči

Ak existuje, počet dier a elektrónov je určený výlučne teplotou, parametrami štruktúry pásu a koncentráciou elektricky aktívnych nečistôt. Pri výpočte pomeru sa predpokladá, že niektoré častice budú v pásme vodivosti (na úrovni akceptora alebo donoru). Zohľadňuje aj skutočnosť, že časť môže opustiť valenčné územie a tvoria sa tam medzery.

Elektrická vodivosť

V polovodičoch môžu okrem elektrónov pôsobiť ako nosiče náboja aj ióny. Ale ich elektrická vodivosť je vo väčšine prípadov zanedbateľná. Ako výnimku možno uviesť iba iónové supravodiče. Existujú tri hlavné mechanizmy prenosu elektrónov v polovodičoch:

1. Hlavná zóna. V tomto prípade sa elektrón dostane do pohybu v dôsledku zmeny jeho energie na rovnakom povolenom území.
2. Skákanie prestupu cez lokalizované štáty.
3. Polaron.

exciton

Diera a elektrón môžu tvoriť viazaný stav. Nazýva sa Wannier-Mott excitón. V tomto prípade, ktorý zodpovedá absorpčnej hrane, klesá o veľkosť väzby. Pri dostatočnej energii môže v polovodičoch vzniknúť značné množstvo excitónov. Keď sa ich koncentrácia zvyšuje, dochádza ku kondenzácii a vytvára sa kvapalina s elektrónovými dierami.

Polovodičový povrch

Tieto slová označujú niekoľko atómových vrstiev, ktoré sa nachádzajú blízko okraja zariadenia. Vlastnosti povrchu sa líšia od objemových vlastností. Prítomnosť týchto vrstiev narušuje translačnú symetriu kryštálu. To vedie k takzvaným povrchovým stavom a polaritónom. Pri rozvíjaní témy posledne menovaného by sme mali informovať aj o spinových a vibračných vlnách. Vďaka svojej chemickej aktivite je povrch pokrytý mikroskopickou vrstvou cudzích molekúl alebo atómov, ktoré boli adsorbované z prostredia. Určujú vlastnosti týchto niekoľkých atómových vrstiev. Našťastie vytvorenie technológie ultravysokého vákua, pri ktorej vznikajú polovodičové prvky, umožňuje získať a udržiavať čistý povrch niekoľko hodín, čo má pozitívny vplyv na kvalitu výsledných produktov.

Polovodič. Teplota ovplyvňuje odpor

Keď sa teplota kovov zvyšuje, zvyšuje sa aj ich odolnosť. Pri polovodičoch je to naopak – za rovnakých podmienok sa im tento parameter zníži. Ide o to, že elektrická vodivosť akéhokoľvek materiálu (a táto charakteristika je nepriamo úmerná odporu) závisí od toho, aký prúdový náboj majú nosiče, od rýchlosti ich pohybu v elektrickom poli a od ich počtu v objemovej jednotke. materiál.

V polovodičových prvkoch sa so zvyšujúcou sa teplotou zvyšuje koncentrácia častíc, v dôsledku čoho sa zvyšuje tepelná vodivosť a znižuje sa odpor. Môžete to skontrolovať, ak máte jednoduchú zostavu mladého fyzika a potrebný materiál - kremík alebo germánium, môžete si vziať aj polovodič vyrobený z nich. Zvýšenie teploty zníži ich odpor. Aby ste sa o tom uistili, musíte sa zásobiť meracími prístrojmi, ktoré vám umožnia vidieť všetky zmeny. Toto je vo všeobecnom prípade. Pozrime sa na pár súkromných možností.

Odolnosť a elektrostatická ionizácia

Je to spôsobené tunelovaním elektrónov prechádzajúcich cez veľmi úzku bariéru, ktorá dodáva približne jednu stotinu mikrometra. Nachádza sa medzi okrajmi energetických zón. Jeho vzhľad je možný iba pri naklonení energetických pásov, ku ktorému dochádza iba pod vplyvom silného elektrického poľa. Keď dôjde k tunelovaniu (čo je kvantový mechanický efekt), potom elektróny prechádzajú cez úzku potenciálnu bariéru a ich energia sa nemení. To znamená zvýšenie koncentrácie nosičov náboja a to v oboch pásmach: vo vodivosti aj valencii. Ak sa rozvinie proces elektrostatickej ionizácie, môže dôjsť k tunelovému rozpadu polovodiča. Počas tohto procesu sa zmení odpor polovodičov. Je to reverzibilné a akonáhle sa elektrické pole vypne, všetky procesy sa obnovia.

Odolná a nárazová ionizácia

V tomto prípade sa diery a elektróny urýchľujú, zatiaľ čo prechádzajú strednou voľnou dráhou pod vplyvom silného elektrického poľa na hodnoty, ktoré prispievajú k ionizácii atómov a rozbitiu jednej z kovalentných väzieb (hlavný atóm alebo nečistota ). Nárazová ionizácia prebieha ako lavína a nosiče náboja sa v nej množia ako lavína. V tomto prípade sú novovzniknuté diery a elektróny urýchlené elektrickým prúdom. Hodnota prúdu v konečnom výsledku sa vynásobí koeficientom nárazovej ionizácie, ktorý sa rovná počtu párov elektrón-diera, ktoré sú tvorené nosičom náboja v jednom segmente dráhy. Vývoj tohto procesu v konečnom dôsledku vedie k lavínovému rozpadu polovodiča. Odpor polovodičov sa tiež mení, ale rovnako ako v prípade prierazu tunela je reverzibilný.

Využitie polovodičov v praxi

Osobitný význam týchto prvkov je potrebné poznamenať v počítačových technológiách. Takmer nepochybujeme o tom, že by vás nezaujímala otázka, čo sú to polovodiče, keby nebolo túžby samostatne zostaviť objekt pomocou nich. Nie je možné si predstaviť prácu moderných chladničiek, televízorov, počítačových monitorov bez polovodičov. Nezaobídete sa bez nich a pokročilého automobilového vývoja. Používajú sa aj v letectve a kozmickej technike. Rozumiete, čo sú polovodiče, aké sú dôležité? Nedá sa samozrejme povedať, že sú to jediné nenahraditeľné prvky pre našu civilizáciu, no ani ich netreba podceňovať.

Použitie polovodičov v praxi je tiež spôsobené množstvom faktorov, vrátane širokého používania materiálov, z ktorých sú vyrobené, a jednoduchosti spracovania a získania požadovaného výsledku a ďalších technických vlastností, vďaka ktorým je výber vedcov ktorí vyvinuli elektronické zariadenia, sa na nich usadili.

Záver

Podrobne sme skúmali, čo sú polovodiče, ako fungujú. Ich odolnosť je založená na zložitých fyzikálnych a chemických procesoch. A môžeme vás upozorniť, že fakty opísané v článku úplne nepochopia, čo sú polovodiče, a to z jednoduchého dôvodu, že ani veda neštudovala vlastnosti ich práce až do konca. Ale poznáme ich hlavné vlastnosti a charakteristiky, ktoré nám umožňujú aplikovať ich v praxi. Preto môžete hľadať polovodičové materiály a experimentovať s nimi sami, pričom buďte opatrní. Ktovie, možno vo vás drieme veľký prieskumník?!