Question

Электрический ток в металлах. Зависимость сопротивления от температуры. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Применение полупроводниковых приборов.

Answer 1

Все металлы представляют собой кристаллы. Кристаллы, с точки зрения Молекулярно-кинетической теории состоят из кристаллических решеток, причем из-за большого количества электронов на внешней орбите у ядер атомов, часть электронов теряют свои орбиты и становятся свободными. Металлические кристаллические решетки имеют положительно заряженные катионы (ионы) в узлах решетки, между узлов решетки много свободных отрицательно заряженных электронов. Электроны создают электрическое поле и создают электрический ток, относительно упорядоченно двигаясь от области с избытком электронов к области с их недостатком см. Рис 1,2. При повышении температуры увеличивается скорости хаотического движения электронов, а это в свою очередь увеличивает число столкновений. При этом упорядоченное движение зарядов уменьшается, растет сопротивление электрическому, упорядоченному движению. При понижении температуры картина меняется - скорость хаотического движения уменьшается, уменьшается и число столкновений между электронами, при этом упорядоченное движение растет.

В полупроводниках электропроводность несколько другая. Кристаллические решетки полупроводников представляют собой решетки с ковалентной связью каждое ядро атома имеет 4 валентных электрона с помощью которых оно связано с другими четырьмя ядрами. То есть вокруг двух атомов соседей всегда вращаются два общих электрона см Рис 3. На рисунке 3 приведена кристаллическая решетка кремния. В такой идеальной решетке электрического тока не может быть по тому, что в ней нет свободных носителей заряда. Для того, чтобы полупроводник стал проводить ток его решетку нужно изменить, изменить ковалентную связь. Рассмотрим два примера такого изменения ковалентных связей в решетках четырех валентного кремния Si или германия Ge см Рис 4. Акцепторные полупроводники получаются при внесении в расплавленный Si или Ge, например, трех валентного индия In, Si+In. В этом случае получим другой сорт зарядов - дырок. Дыркам приписали положительный заряд, так, как при внесении индия, у которого валентность 3, не хватает для полной связи одного электрона. При этом появляется пустое место (вакансия), которая вносит свой положительный потенциал. Эту вакансию спешат занять электроны, так, как там пустое место ( луза ), притягивающая рядом находящиеся электроны. При этом может возникать диффузионный ток (ток перемешивания). Получившийся при этом полупроводник получил название Р типа, обладающий дырочной проводимостью. При внесении в расплавленный германий или кремний, например, мышьяк пятивалентный As, получают донорный полупроводник, та, как у мышьяка пять валентных электронов. А для связи с другими атомами в кристалле германия или кремния необходимо четыре. Лишний, не участвующий в связях электрон является отрицательным носителем заряда. Поэтому такие полупроводники обладают электронной проводимостью. Одно из главных применений полупроводников выпрямители переменного тока. Для выпрямления переменного тока используют диоды. На рисунке 5 показано схематично-образное изображение диода. Две соединенные между собой области p и n c электронной и дырочной проводимостью. Выход Р - анод и выход n - катод. В результате диффузии между областями образуется p - n переход, условно (двери), которые могут закрываться и открываться. При прямом включении p - n переход открыт Рис 6 электроны проходят p-n переход и двигаются к + источника , при обратном - закрыт и тока нет рис 7. При выпрямлении переменного тока p-n переход периодически открывается и закрывается с частотой источника переменного тока.

Answer 2

Электрический ток в металлах:

В металлах электрический ток обусловлен движением электронов. Валентные электроны в металлах слабо связаны с атомами и могут свободно перемещаться по кристаллической решётке металла. Это позволяет металлам быть хорошими проводниками электричества. Токопроводность металлов уменьшается с повышением температуры, так как при нагреве атомы начинают колебаться более интенсивно, что затрудняет движение электронов, вызывая увеличение сопротивления.

Зависимость сопротивления от температуры:

Закон Ома описывает зависимость между напряжением (U), силой тока (I) и сопротивлением (R) в проводнике: U = I * R. При повышении температуры металла сопротивление увеличивается по формуле: R = R₀ * (1 + α * ΔT), где R₀ - сопротивление при начальной температуре, α - температурный коэффициент сопротивления, ΔT - изменение температуры.

Электрический ток в полупроводниках:

Полупроводники имеют промежуточные свойства между металлами и изоляторами. Их проводимость может изменяться в зависимости от различных факторов, включая температуру, добавленные примеси и электрическое поле. Основной разницей между металлами и полупроводниками является то, что полупроводники обладают узкой зоной запрещённых энергий между валентной зоной и зоной проводимости, что позволяет им изменять свою проводимость.

Собственная и примесная проводимость полупроводников:

Собственная проводимость полупроводников связана с движением свободных электронов и дырок (отсутствие электрона в валентной зоне) при повышенной температуре. Примесная проводимость возникает при добавлении в полупроводник намеренно введённых примесей (акцепторов или доноров), что создаёт дополнительные электроны или дырки, увеличивая проводимость.

Применение полупроводниковых приборов:

Полупроводники являются ключевыми материалами в электронике и приборостроении. Они используются в создании транзисторов, диодов, интегральных схем, солнечных батарей, лазеров, датчиков и многих других устройств. Транзисторы, например, играют решающую роль в электронных устройствах, позволяя управлять электрическим током и выполнять логические операции. Солнечные батареи используют полупроводники для преобразования солнечной энергии в электричество.