I halvledare beror elektrisk ledningsförmåga avsevärt på temperaturen. Vid temperaturer nära absolut noll förvandlas de till isolatorer, och vid höga temperaturer blir deras ledningsförmåga betydande. Till skillnad från metaller är antalet ledningselektroner i halvledare inte lika med antalet valenselektroner utan utgör bara en liten del av det. Det skarpa beroendet av ledningsförmågan hos halvledare på temperaturen indikerar att ledningselektroner uppträder i dem under inverkan av termisk rörelse.
7.Formulera och skriv ner Brewsters lag. Förklara ditt svar med en ritning.
Om tangenten för strålens infallsvinkel på gränsytan mellan två dielektrika är lika med det relativa brytningsindexet, är den reflekterade strålen helt polariserad i ett plan vinkelrätt mot infallsplanet, det vill säga parallellt med gränssnittet mellan media
tg a B = n 21.
Här är a B ljusets infallsvinkel, kallad Brewster-vinkeln, n 21 är det relativa brytningsindexet för det andra mediet relativt det första
8. Vad är kärnan i Heisenbergs osäkerhetsrelationer?
x* p x >=h
y* p y >=h
z* p z >=h
E* t>=h
Δx, y, z - felaktighet vid bestämning av koordinaten
Δp – felaktighet vid bestämning av impulsen
Phys. betyder: det är omöjligt att exakt mäta position och momentum samtidigt.
9. Hur kommer frekvensen av fria svängningar i oscillationskretsen att förändras om spolens induktans ökas med 4 gånger och kondensatorns elektriska kapacitet minskas med 2 gånger?
Svar: kommer att minska med hälften
10. Ange produkten av kärnreaktionen Li+ H He+?
11.Vad är den induktiva reaktansen för en spole med en induktans på 2 mH vid en strömoscillationsfrekvens på n = 50 Hz?
Rl=wL=2nVL=0,628 (Ohm). Svar: R L =0,628 (Ohm)
Om det absoluta brytningsindexet för ett medium är 1,5, vad är då ljusets hastighet i detta medium?
n= c/v 2*10 8
13. Gammastrålningens våglängd är nm. Vilken potentialskillnad U måste appliceras på röntgenröret för att få Röntgenstrålar med denna våglängd?
14. De Broglie-våglängden för en partikel är 2,2 nm. Hitta massan av partikeln om den rör sig med hastighet.
m= = 6, 62*10 -34 /2, 2*10 -9 *10 5 =3, 01*10 -30 ;
Som ett resultat av fotonspridning av en fri elektron visade sig Compton-skiftet vara lika med 1,2 pm. Hitta spridningsvinkeln.
16. Oscillationskretsen innehåller en kondensator med en elektrisk kapacitet på 50nF och en induktansspole på 5/(4) μH. Bestäm strålningens våglängd
17. Arbetsfunktionen för en elektron som lämnar platina är . Vad är max rörelseenergi fotoelektroner som skjuts ut från platina av ljus med en våglängd på 0,5 mikron?
18. Avståndet mellan diffraktionsgittrets linjer är d = 4 µm. Ljus med en våglängd på = 0,6 µm. Vilken är den maximala storleksordningen som ges av detta gitter?
d=4μm, , dsinj = nl, sinj=1,n= =
Vallmo. beställning - 6
19. Vad är det halva ljusabsorptionsskiktet d 1/2, om när ljus passerar genom ett 30 mm skikt av substans, minskar ljusintensiteten 8 gånger? , , , , , , 
,
20. I Youngs experiment belystes hålen med monokromatiskt ljus med våglängd = 6 10 -5 cm, avståndet mellan hålen är 1 mm och avståndet från hålen till skärmen är 3 m. Hitta positionen för den första ljusranden .
Alternativ 18
1. Ett magnetfält kallas enhetligt om... den magnetiska induktionsvektorn är densamma på alla punkter. exempel (permanent magnet)
2. Vilka oscillationer kallas forcerade?
Forcerade svängningar är svängningar som uppstår i vilket system som helst under påverkan av en variabel yttre påverkan. Naturen hos forcerade svängningar bestäms både av egenskaperna hos den yttre påverkan och av egenskaperna hos själva systemet.
3.Vad kallas den externa fotoelektriska effekten?
Den externa fotoelektriska effekten är utstötningen av elektroner från ett ämne under påverkan av elektromagnetisk strålning. Extern fotoelektrisk effekt observeras främst i ledare
4. Vad kallas en perfekt svart kropp?
En kropp som vid vilken temperatur som helst kan absorbera all strålning av vilken frekvens som helst på den kallas svart. Följaktligen är den spektrala absorptionskapaciteten för en svart kropp för alla frekvenser och temperaturer identiskt lika med enhet ()
5. Formulera och skriv Lamberts lag
Bouguer-Lambert-Beer-lagen är en fysisk lag som bestämmer dämpningen av en parallell monokromatisk ljusstråle när den fortplantar sig i ett absorberande medium.
var är intensiteten på den inkommande strålen, l är tjockleken på det skikt av ämne som ljuset passerar genom, är absorptionsindex
I I fallet med ett idealiskt kristallgitter skulle ledningselektroner inte uppleva något motstånd under sin rörelse, och den elektriska ledningsförmågan hos metaller skulle vara oändligt stor. Kristallgittret är dock aldrig perfekt. Brott mot den strikta periodiciteten hos gittret kan orsakas av närvaron av föroreningar eller vakanser, såväl som termiska vibrationer i gittret. Spridningen av elektroner på föroreningsatomer och på vibrerande joner leder till uppkomsten av elektrisk resistans hos metaller.
Erfarenheten visar att till en första approximation ökar motståndet hos metallledare linjärt med temperaturen enligt lagen:
R = Ro (1+a t), eller R = RoaT;
Ρ = ρ o (1+α t), eller ρ = ρ o α T
Här är t temperaturen på Celsiusskalan, T är den absoluta temperaturen, R 0 (ρ o) är motståndet (specifikt motstånd) vid noll temperatur Celsius, α är motståndets temperaturkoefficient.
För rena metaller, temperaturkoefficient för motstånd
a=0,004 K-1. Figur 1a visar en ungefärlig graf över beroendet av metallresistans på absolut temperatur.
T 
Fig. la Fig. 1b
Till skillnad från metaller, där temperaturberoendet för elektrisk ledningsförmåga bestäms av elektronernas rörlighet, som ett resultat av vilket motståndet ökar med ökande temperatur, spelas huvudrollen i ledningsförmågan hos halvledare av den termiska genereringen av fria elektroner och hål . Dessutom är koncentrationerna av elektroner Ne och hål Ng desamma för inneboende (rena) halvledare och ökar snabbt med ökande temperatur (se Boltzmann-fördelning):
där E är bandgapet, k är Boltzmanns konstant. Därför, med ökande temperatur, elektrisk ledningsförmåga 
halvledare ökar snabbt, och motståndet minskar i motsvarande grad snabbt i enlighet med formlerna:
och r = r o
(3)
Om vi presenterar beroendet ln av graf 1b 
från 
, då erhålls en rät linje för inre halvledare. I fallet med föroreningshalvledare når koncentrationen av strömbärare snabbt mättnad. Med ökande temperatur börjar den inneboende ledningsförmågan hos halvledare att påverka sig själv i stor utsträckning vid höga temperaturer, ledningsförmågan kommer att bestå av inneboende och föroreningskonduktivitet. På låga temperaturer Orenhetskonduktivitet dominerar; vid höga nivåer dominerar den inneboende konduktiviteten.
Föroreningskonduktivitet hos halvledare
Idealiska kristaller som inte innehåller några föroreningar är mycket sällsynta. Föroreningar i halvledarkristaller kan öka antalet elektroner eller hål. Det visade sig att införandet av en atom av antimon i en kubikcentimeter germanium eller kisel leder till utseendet av en elektron och en atom av bor - till utseendet av ett hål.
Uppkomsten av elektronisk ledning eller hålledningsförmåga när olika föroreningar införs i en ideal kristall sker enligt följande. Låt oss anta att i en kiselkristall är en av atomerna ersatt av en antimonatom. Antimon har fem elektroner på sitt yttre elektronskal (grupp V periodiska systemet). Fyra elektroner bildar parade elektroniska bindningar med de fyra närmaste angränsande kiselatomerna. Den återstående femte elektronen kommer att röra sig runt antimonatomen i en omloppsbana som liknar en elektrons omloppsbana i en väteatom, men kraften från dess elektriska attraktion till kärnan kommer att minska i enlighet med den dielektriska konstanten för kisel. För att frigöra den femte elektronen behövs därför försumbar energi, lika med ungefär 0,05 eV. En svagt bunden elektron kan lätt slitas bort från en antimonatom under påverkan av termiska vibrationer i gittret vid låga temperaturer. En så låg joniseringsenergi hos en föroreningsatom innebär att vid temperaturer runt -100°C är alla föroreningsatomer i germanium och kisel redan joniserade, och de frigjorda elektronerna deltar i processen för elektrisk ledningsförmåga. I detta fall kommer de huvudsakliga laddningsbärarna att vara elektroner, d.v.s. här har vi elektronisk konduktivitet eller konduktivitet av n-typ (n är den första bokstaven i ordet negativ Efter att den "extra" femte elektronen har tagits bort blir antimonatomen en positivt laddad jon, som har fyra valenselektroner, som alla kiselatomer). , dvs. .e. Antimonjonen blir en kiselersättning i kristallgittret.
Föroreningar som orsakar uppkomsten av elektronisk ledningsförmåga i kristaller kallas donatorer. För kisel och germanium är de elementen i grupp V i det periodiska systemet - antimon, fosfor, arsenik och vismut.
Den trevärda bororenhetsatomen i kiselgittret beter sig annorlunda. Det yttre skalet på en boratom har bara tre valenselektroner. Det betyder att en elektron saknas för att fylla fyra valensbindningar med fyra närmaste grannar. En tom bindning kan fyllas med en elektron överförd från någon annan bindning, denna bindning kommer att fyllas med elektroner från nästa bindning, etc. Ett positivt hål (ofylld bindning) kan röra sig över kristallen från en atom till en annan (när elektronen rör sig i motsatt riktning). När en elektron fyller den saknade valensbindningen blir föroreningsboratomen en negativt laddad jon som ersätter kiselatomen i kristallgittret. Hålet kommer att vara svagt bundet till boratomen av elektrostatiska attraktionskrafter och kommer att röra sig runt det i en omloppsbana som liknar en elektrons omloppsbana i en väteatom. Joniseringsenergi, d.v.s. energin som krävs för att lossa ett hål från en negativ borjon kommer att vara ungefär 0,05 eV. Därför, när rumstemperatur alla trevärda föroreningsatomer joniseras och hål deltar i processen för elektrisk ledningsförmåga. Om en kiselkristall innehåller en blandning av trevärda atomer (grupp III i det periodiska systemet), utförs konduktiviteten huvudsakligen av hål. Denna konduktivitet kallas ledningsförmåga av hål eller p-typ (p är den första bokstaven i ordet positiv). Föroreningar som orsakar hålledning kallas acceptorer. Acceptorer i germanium och kisel inkluderar element i den tredje gruppen i det periodiska systemet: gallium, tallium, bor, aluminium. Antalet strömbärare som genereras av införandet av varje typ av förorening separat beror på koncentrationen av föroreningen och dess joniseringsenergi i en given halvledare. De flesta praktiskt använda föroreningar joniseras dock fullständigt vid rumstemperatur, så koncentrationen av bärare som skapas av föroreningar under dessa förhållanden bestäms endast av föroreningskoncentrationen och är i många fall lika med antalet föroreningsatomer som införs i halvledaren.
Varje donatorföroreningsatom bidrar med en ledningselektron, därför, ju fler donatoratomer i varje kubikcentimeter av en halvledare, desto mer överstiger deras koncentration hålkoncentrationen, och konduktiviteten är elektronisk till sin natur. Den motsatta situationen uppstår när acceptorföroreningar införs.
Med lika koncentrationer av donator- och acceptorföroreningar i kristallen kommer konduktiviteten att säkerställas, som i en inneboende halvledare, av elektroner och hål på grund av att valensbindningar bryts. En sådan halvledare kallas kompenserad.
Mängden elektricitet som bärs av hål eller elektroner bestäms inte bara av koncentrationen av bärare, utan också av rörligheten hos elektroner och hål.
HALVLEDARANSLUTNINGAR
Tillsammans med elementära halvledare används halvledarföreningar erhållna genom legering eller kemisk bearbetning av rena grundämnen i stor utsträckning inom halvledarteknik. Dessa är kopparoxid, av vilken halvledarlikriktare av olika slag tillverkas, zinkantimon (SbZn), som används för tillverkning av halvledartermopålar, blytellurid (PbTe), som används för tillverkning av solcellsapparater och för den negativa grenen av termoelement och många andra.
Föreningar av typ AIIIBV är av särskilt intresse. De erhålls genom att syntetisera element i grupperna III och V i Mendeleevs periodiska system för element. Av föreningarna av denna typ är de mest intressanta halvledaregenskaperna för AIP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb. I ett antal fastigheter ligger dessa föreningar nära grupp IV-halvledarelementen germanium och kisel. Mobiliteten hos nuvarande bärare i dem når stora värden; Bandgapet för vissa av dessa föreningar är också stort; föroreningar som introduceras i dem förändrar mekanismen för elektrisk ledningsförmåga; Sålunda beter sig vissa atomer i grupp II som acceptorer, och ett antal atomer i grupp VI beter sig som donatorer.
I sin praktiska verksamhet möter varje elektriker olika förutsättningar passage av laddningsbärare i metaller, halvledare, gaser och vätskor. Det aktuella värdet påverkas elektrisk resistans, som förändras på olika sätt under påverkan miljö.
En av dessa faktorer är temperaturexponering. Eftersom det avsevärt förändrar villkoren för strömflödet, beaktas det av designers vid produktion av elektrisk utrustning. Elektrisk personal som är involverad i underhåll och drift av elektriska installationer krävs för att kompetent använda dessa funktioner i praktiskt arbete.
Temperaturens inverkan på metallernas elektriska motstånd
I en skolfysikkurs föreslås det att utföra följande experiment: ta en amperemeter, ett batteri, en bit tråd, anslutningsledningar och en brännare. Istället för en amperemeter med batteri kan du ansluta en ohmmeter eller använda dess läge i en multimeter.
Låt oss nu föra brännarlågan till tråden och börja värma den. Om du tittar på amperemetern kommer du att se att pilen kommer att flyttas åt vänster och nå den position som är markerad med rött.
Resultatet av experimentet visar att när metaller värms upp minskar deras ledningsförmåga och deras motstånd ökar.
Den matematiska motiveringen för detta fenomen ges av formlerna direkt i bilden. I det lägre uttrycket kan man tydligt se att det elektriska motståndet "R" hos en metallledare är direkt proportionell mot dess temperatur "T" och beror på flera andra parametrar.
Hur uppvärmning av metaller begränsar elektrisk ström i praktiken
Glödlampor
Varje dag, när vi slår på belysningen, möter vi manifestationen av denna egenskap i glödlampor. Låt oss utföra enkla mätningar på en glödlampa med en effekt på 60 watt.
Med den enklaste ohmmetern, som drivs av ett lågspänningsbatteri på 4,5 V, mäter vi motståndet mellan kontakterna på basen och ser värdet på 59 ohm. Filamentet har detta värde när det är kallt.
Skruva in glödlampan i sockeln och anslut 220 volts spänning för hemnätverket till den genom en amperemeter. Amperemeternålen kommer att visa 0,273 ampere. Låt oss bestämma trådens motstånd i uppvärmt tillstånd. Den kommer att vara 896 ohm och kommer att överstiga den tidigare ohmmeteravläsningen med 15,2 gånger.
Detta överskott skyddar glödtrådskroppens metall från utbrändhet och förstörelse, vilket säkerställer dess långsiktiga prestanda under spänning.
Power-on transienter
När glödtråden fungerar skapas en termisk balans mellan uppvärmningen från den passerande elektriska strömmen och avlägsnandet av en del av värmen till omgivningen. Men först och främst inledande skede När den är påslagen, när spänning appliceras, inträffar transienta processer som skapar en inkopplingsström, vilket kan leda till utbränning av glödtråden.
Transienta processer sker på kort tid och orsakas av det faktum att ökningstakten i det elektriska motståndet från uppvärmning av metallen inte håller jämna steg med ökningen av strömmen. Efter att de är klara etableras driftsläget.
Under långvarig luminescens av lampan når tjockleken på dess glödtråd gradvis ett kritiskt tillstånd, vilket leder till utbrändhet. Oftast inträffar detta ögonblick under nästa nya påslagning.
För att förlänga lampans livslängd olika sätt minska denna startström med:
1. anordningar som ger smidig tillförsel och frigöring av spänning;
2. kretsar för seriekoppling av resistorer, halvledare eller termistorer (termistorer) till glödtråden.
Ett exempel på ett sätt att begränsa startströmmen för billampor visas i bilden nedan.
Här tillförs strömmen till glödlampan efter att vippströmbrytaren SA slagits på genom säkringen FU och begränsas av ett motstånd R, vars värde väljs så att strömstyrkan under transienta processer inte överstiger märkvärdet.
När glödtråden värms upp ökar dess motstånd, vilket leder till en ökning av potentialskillnaden över dess kontakter och den parallellkopplade relälindningen KL1. När spänningen når reläets inställningsvärde kommer den normalt öppna kontakten KL1 att stänga och shunta motståndet. Driftströmmen för det redan etablerade läget kommer att börja flöda genom glödlampan.
Effekten av metalltemperatur på dess elektriska motstånd används vid driften av mätinstrument. De kallas .
Deras känsliga element är tillverkat av en tunn metalltråd, vars motstånd mäts noggrant vid vissa temperaturer. Denna gänga är monterad i ett hus med stabila termiska egenskaper och täckt med ett skyddskåpa. Den skapade strukturen placeras i en miljö vars temperatur ständigt måste övervakas.
Ledningar är monterade på terminalerna på det känsliga elementet elschema, som ansluter resistansmätkretsen. Dess värde omvandlas till temperaturvärden baserat på den tidigare utförda kalibreringen av enheten.
Baretter - strömstabilisator
Detta är namnet på en anordning som består av en förseglad glascylinder med vätgas och en metalltrådsspiral gjord av järn, volfram eller platina. Denna design är utseende liknar en glödlampa, men den har en specifik ickelinjär ström-spänningsegenskap.
På ström-spänningskarakteristiken i ett visst område bildas arbetszon, som inte beror på fluktuationer i den spänning som appliceras på kroppen. I det här avsnittet kompenserar byteshandeln väl för effektrippel och fungerar som en strömstabilisator på en last kopplad i serie med den.
Funktionen av barettern är baserad på egenskapen av termisk tröghet hos glödtrådskroppen, vilket säkerställs av det lilla tvärsnittet av glödtråden och den höga värmeledningsförmågan hos vätet som omger den. På grund av detta, när spänningen på enheten minskar, accelererar värmeavlägsnandet från dess filament.
Detta är huvudskillnaden mellan baretter och glödlampor, där de strävar efter att minska konvektiv värmeförlust från glödtråden för att bibehålla ljusstyrkan i glöden.
Superledningsförmåga
I normala förhållanden miljö, när en metallledare kyls, minskar dess elektriska motstånd.
När en kritisk temperatur uppnås, nära noll grader enligt Kelvins mätsystem, sker ett kraftigt fall i motståndet till noll. Den högra bilden visar ett sådant förhållande för kvicksilver.
Detta fenomen, som kallas supraledning, anses vara ett lovande område för forskning med målet att skapa material som avsevärt kan minska förlusten av elektricitet när den överförs över stora avstånd.
Pågående studier av supraledning har dock avslöjat ett antal mönster när den elektriska resistansen hos en metall belägen i det kritiska temperaturområdet påverkas av andra faktorer. I synnerhet när växelström passerar med en ökning av frekvensen av dess svängningar, uppstår motstånd, vars värde når intervallet för vanliga värden för övertoner med en period av ljusvågor.
Temperaturens inverkan på elektriskt motstånd/ledningsförmåga hos gaser
Gaser och vanlig luft är dielektriska och leder inte elektricitet. För dess bildning behövs laddningsbärare, som är joner som bildas som ett resultat av exponering för yttre faktorer.
Uppvärmning kan orsaka jonisering och förflyttning av joner från en pol av mediet till den andra. Du kan verifiera detta med ett exempel enkel upplevelse. Låt oss ta samma utrustning som vi använde för att bestämma effekten av uppvärmning på motståndet hos en metallledare, men istället för tråd kommer vi att ansluta två metallplattor åtskilda av luftrum till ledningarna.
En amperemeter ansluten till kretsen kommer att indikera frånvaron av ström. Om en brännarlåga placeras mellan plattorna, kommer enhetens nål att avvika från nollvärdet och visa mängden ström som passerar genom det gasformiga mediet.
Således fastställdes det att jonisering sker i gaser när de värms upp, vilket leder till rörelse av elektriskt laddade partiklar och en minskning av mediets motstånd.
Strömvärdet påverkas av effekten hos den externa pålagda spänningskällan och potentialskillnaden mellan dess kontakter. Hon är kapabel till stora värden bryta igenom det isolerande lagret av gaser. En typisk manifestation av ett sådant fall i naturen är en naturlig blixtladdning under ett åskväder.
En ungefärlig bild av ström-spänningskarakteristiken för strömflödet i gaser visas i grafen.
I det inledande skedet, under påverkan av temperatur och potentialskillnad, observeras en ökning av jonisering och passage av ström ungefär enligt en linjär lag. Då blir kurvan horisontell när en ökning av spänningen inte orsakar en ökning av strömmen.
Det tredje steget av nedbrytning inträffar när den höga energin i det applicerade fältet accelererar jonerna så mycket att de börjar kollidera med neutrala molekyler och bildar massivt nya laddningsbärare från dem. Som ett resultat ökar strömmen kraftigt, vilket bildar en nedbrytning av det dielektriska skiktet.
Praktisk användning av gasledningsförmåga
Fenomenet med ström som flyter genom gaser används i elektroniska rör och lysrör.
För att göra detta placeras två elektroder inuti en förseglad glascylinder med en inert gas:
1. anod;
2. katod.
I en lysrörslampa är de gjorda i form av glödtrådar, som värms upp när de slås på för att skapa termionemission. Inre yta Kolven är täckt med ett skikt av fosfor. Den avger det synliga spektrum av ljus som produceras av infraröd strålning som härrör från kvicksilverånga bombarderad av en ström av elektroner.
Gasurladdningsströmmen uppstår när en spänning av en viss storlek påläggs mellan elektroderna som är placerade i olika ändar av kolven.
När en av glödtrådarna brinner ut kommer elektronemissionen vid denna elektrod att störas och lampan tänds inte. Men om du ökar potentialskillnaden mellan katoden och anoden, då igen gasutsläpp inuti kolven och lyset från fosfor kommer att återupptas.
Detta gör att du kan använda LED-lampor med skadade glödtrådar och förlänga deras livslängd. Tänk bara på att i det här fallet måste spänningen på den ökas flera gånger, och detta ökar avsevärt strömförbrukningen och riskerna för säker användning.
Temperaturens inverkan på vätskors elektriska motstånd
Strömpassagen i vätskor skapas främst på grund av rörelsen av katjoner och anjoner under påverkan av ett externt applicerat elektriskt fält. Endast en liten del av konduktiviteten tillhandahålls av elektroner.
Effekten av temperatur på det elektriska motståndet hos en flytande elektrolyt beskrivs av formeln som visas på bilden. För det har betydelse temperatur koefficientα är alltid negativ, sedan med ökande uppvärmning ökar konduktiviteten och motståndet sjunker som visas i grafen.
Detta fenomen måste beaktas vid laddning av flytande bilbatterier (och andra).
Temperaturens inverkan på det elektriska motståndet hos halvledare
Förändringar i egenskaperna hos halvledarmaterial under påverkan av temperatur har gjort det möjligt att använda dem som:
termiska motstånd;
termoelement;
kylskåp;
värmare.
Termistorer
Detta namn hänvisar till halvledarenheter som ändrar sitt elektriska motstånd under påverkan av värme. De är betydligt högre än för metaller.
TCR-värdet för halvledare kan ha ett positivt eller negativt värde. Enligt denna parameter är de uppdelade i positiva "RTS" och negativa "NTC" termistorer. De har olika egenskaper.
För att använda termistorn, välj en av punkterna på dess ström-spänningskarakteristik:
den linjära sektionen används för att kontrollera temperaturen eller kompensera för ändrade strömmar eller spänningar;
fallande gren av ström-spänningskarakteristiken för element med TCS
Användningen av en relätermistor är praktisk vid övervakning eller mätning av elektromagnetiska strålningsprocesser som sker vid ultrahöga frekvenser. Detta säkerställde deras användning i system:
1. värmekontroll;
2. brandlarm;
3. reglering av flödet av bulkmedia och vätskor.
Kiseltermistorer med liten TCR>0 används i kylsystem och temperaturstabilisering av transistorer.
Termoelement
Dessa halvledare fungerar på grundval av Seebeck-fenomenet: när det lödda området av två olika metaller värms upp, genereras en emk i korsningen av en sluten krets. På så sätt omvandlar de termisk energi till elektricitet.
En struktur av två sådana element kallas ett termoelement. Dess effektivitet ligger inom 7÷10%.
Termoelement används i temperaturmätare av digitala datorenheter som kräver miniatyrdimensioner och hög noggrannhet av avläsningar, och även som strömkällor med låg effekt.
Halvledarvärmare och kylskåp
De fungerar genom att vända användningen av termoelement genom vilka en elektrisk ström passerar. I det här fallet, på en plats i korsningen, värms den upp och på motsatt plats kyls den.
Halvledarövergångar baserade på selen, vismut, antimon och tellur gör det möjligt att säkerställa en temperaturskillnad i termoelementet på upp till 60 grader. Detta gjorde det möjligt att skapa en kylskåpsdesign gjord av halvledare med temperaturer i kylkammaren ner till -16 grader.
Vad är dess egenskaper? Vad är halvledarnas fysik? Hur är de byggda? Vad är konduktivitet hos halvledare? Vilka fysiska egenskaper har de?
Vad kallas halvledare?
Detta avser kristallina material som inte leder elektricitet så bra som metaller gör. Men fortfarande är denna indikator bättre än den för isolatorer. Sådana egenskaper beror på antalet rörliga bärare. Generellt sett finns det en stark anknytning till kärnor. Men när flera atomer, säg antimon, som har ett överskott av elektroner, introduceras i ledaren, kommer denna situation att korrigeras. När indium används erhålls element med positiv laddning. Alla dessa egenskaper används ofta i transistorer - speciella enheter, som kan förstärka, blockera eller skicka ström i endast en riktning. Om vi betraktar ett element av NPN-typ kan vi notera en betydande förstärkande roll, vilket är särskilt viktigt vid sändning av svaga signaler.
Designegenskaper hos elektriska halvledare
Ledare har många fria elektroner. Isolatorer har det praktiskt taget inte alls. Halvledare innehåller både ett visst antal fria elektroner och luckor med positiv laddning som är redo att ta emot frigjorda partiklar. Och viktigast av allt, de leder alla den typ av NPN-transistor som diskuterades tidigare är inte det enda möjliga halvledarelementet. Så det finns också PNP-transistorer, såväl som dioder.
Om vi pratar om det senare kort, så är detta ett element som bara kan överföra signaler i en riktning. Även dioden kan vridas växelström till permanent. Vad är mekanismen för denna transformation? Och varför rör det sig bara i en riktning? Beroende på var strömmen kommer ifrån kan elektroner och gap antingen divergera eller gå mot varandra. I det första fallet, på grund av en ökning av avståndet, avbryts matningsförsörjningen, och därför överförs negativa spänningsbärare i endast en riktning, det vill säga konduktiviteten hos halvledare är envägs. När allt kommer omkring kan ström överföras endast om de ingående partiklarna är i närheten. Och detta är endast möjligt när ström tillförs från ena sidan. Dessa är de typer av halvledare som finns och används för närvarande.
Zonstruktur
Ledarnas elektriska och optiska egenskaper beror på det faktum att när energinivåer är fyllda med elektroner separeras de från möjliga tillstånd av ett bandgap. Vad är dess egenskaper? Faktum är att det inte finns några energinivåer i bandgapet. Detta kan ändras med hjälp av föroreningar och strukturella defekter. Det högsta helt fyllda bandet kallas valensbandet. Detta följs av en som är tillåten, men tom. Det kallas ledningsbandet. Halvledarfysik - ganska intressant ämne, och det kommer att behandlas väl i artikeln.
Tillstånd för elektroner
För detta används begrepp som numret på den tillåtna zonen och kvasipuls. Strukturen för den första bestäms av spridningslagen. Han säger att det påverkas av energiberoendet av kvasi-momentum. Således, om valensbandet är helt fyllt med elektroner (som bär laddning i halvledare), säger de att det inte finns några elementära excitationer i det. Om det av någon anledning inte finns någon partikel, betyder det att en positivt laddad kvasipartikel har dykt upp här - ett gap eller ett hål. De är laddningsbärare i halvledare i valensbandet.
Degenererade zoner
Valensbandet i en typisk ledare är sexfaldigt degenererat. Detta är utan att ta hänsyn till spin-omloppsinteraktionen och endast när det är kvasi-momentum lika med noll. Under samma förhållanden kan den delas upp i dubbla och fyrdubbla degenererade zoner. Energiavståndet mellan dem kallas spin-orbit splitting-energi.
Föroreningar och defekter i halvledare
De kan vara elektriskt inaktiva eller aktiva. Användningen av den förra gör det möjligt att erhålla en positiv eller negativ laddning i halvledare, vilket kan kompenseras av uppkomsten av ett hål i valensbandet eller en elektron i det ledande bandet. Inaktiva föroreningar är neutrala och de har en relativt svag effekt på de elektroniska egenskaperna. Det som dessutom ofta kan ha betydelse är valensen hos de atomer som deltar i laddningsöverföringsprocessen och strukturen
Beroende på typen och mängden av föroreningar kan förhållandet mellan antalet hål och elektroner också ändras. Därför måste halvledarmaterial alltid väljas noggrant för att uppnå önskat resultat. Detta föregås av ett betydande antal beräkningar och därefter experiment. De partiklar som de flesta kallar majoritetsladdningsbärare är minoritetsdelar.
Doserad introduktion av föroreningar i halvledare gör det möjligt att erhålla enheter med de egenskaper som krävs. Defekter i halvledare kan också vara i ett inaktivt eller aktivt elektriskt tillstånd. De viktiga här är dislokation, interstitiell atom och vakans. Flytande och icke-kristallina ledare reagerar på föroreningar annorlunda än kristallina. Avsaknaden av en stel struktur resulterar i slutändan i att den förskjutna atomen får en annan valens. Den kommer att skilja sig från den som han först mättar sina kontakter med. Det blir olönsamt för atomen att ge eller få en elektron. I det här fallet blir det inaktivt, och därför har föroreningshalvledare en stor chans att misslyckas. Detta leder till att det är omöjligt att ändra typen av konduktivitet genom att dopa och skapa till exempel en pn-övergång.
Vissa amorfa halvledare kan ändra sina elektroniska egenskaper när de utsätts för dopning. Men detta gäller dem i mycket mindre utsträckning än för kristallina. Känsligheten hos amorfa element för dopning kan ökas genom att använda teknisk bearbetning. I slutändan skulle jag vilja notera att tack vare långt och hårt arbete representeras föroreningshalvledare fortfarande av ett antal resultat med goda egenskaper.
Statistik över elektroner i en halvledare
När antalet hål och elektroner existerar bestäms enbart av temperatur, bandstrukturparametrar och koncentrationen av elektriskt aktiva föroreningar. När förhållandet beräknas antas det att en del av partiklarna kommer att vara i ledningsbandet (på acceptor- eller donatornivå). Hänsyn tas också till det faktum att en del kan lämna valensområdet, och luckor bildas där.
Elektrisk konduktivitet
I halvledare kan, förutom elektroner, joner också fungera som laddningsbärare. Men deras elektriska ledningsförmåga är i de flesta fall försumbar. Som ett undantag kan endast joniska supraledare nämnas. Det finns tre huvudsakliga elektronöverföringsmekanismer i halvledare:
- Huvudzon. I det här fallet börjar elektronen röra sig på grund av en förändring i dess energi inom ett tillåtet område.
- Hoppande överföring över lokala tillstånd.
- Polaronic.
Exciton
Ett hål och en elektron kan bilda ett bundet tillstånd. Det kallas en Wannier-Mott exciton. I detta fall, vilket motsvarar absorptionskanten, minskar med storleken på kopplingsvärdet. Om det är tillräckligt kan ett betydande antal excitoner bildas i halvledare. När deras koncentration ökar uppstår kondensation och en elektronhålsvätska bildas.
Halvledaryta
Dessa ord betecknar flera atomlager som är belägna nära enhetens gräns. Ytegenskaper skiljer sig från volymetriska. Närvaron av dessa skikt bryter kristallens translationssymmetri. Detta leder till så kallade yttillstånd och polaritoner. När vi utvecklar temat för det senare bör vi också prata om spinn och vibrationsvågor. På grund av sin kemiska aktivitet är ytan täckt med ett mikroskopiskt lager av främmande molekyler eller atomer som har adsorberats från omgivningen. De bestämmer egenskaperna hos dessa flera atomlager. Lyckligtvis gör skapandet av ultrahögvakuumteknik, där halvledarelement skapas, det möjligt att erhålla och bibehålla en ren yta i flera timmar, vilket har en positiv effekt på kvaliteten på den resulterande produkten.
Halvledare. Temperaturen påverkar motståndet
När temperaturen på metaller ökar ökar också deras motstånd. Med halvledare är det motsatta - under samma förhållanden kommer denna parameter att minska. Poängen här är att den elektriska ledningsförmågan för något material (och denna egenskap omvänt proportionell mot resistans) beror på vilken strömladdning bärarna har, på hastigheten för deras rörelse i det elektriska fältet och på deras antal i en volymenhet av materialet.
I halvledarelement, när temperaturen ökar, ökar koncentrationen av partiklar, på grund av vilken värmeledningsförmågan ökar och motståndet minskar. Du kan kontrollera detta med en enkel uppsättning unga fysiker och erforderligt material- kisel eller germanium, du kan också ta en halvledare gjord av dem. Att höja temperaturen kommer att minska deras motstånd. För att säkerställa detta måste du fylla på med mätinstrument som gör att du kan se alla förändringar. Detta är i det allmänna fallet. Låt oss titta på ett par privata alternativ.
Motstånd och elektrostatisk jonisering
Detta beror på tunnlingen av elektroner som passerar genom en mycket smal barriär som levererar ungefär en hundradels mikrometer. Den ligger mellan kanterna på energizoner. Dess utseende är endast möjligt när energizonerna lutar, vilket endast sker under påverkan av ett starkt elektriskt fält. När tunnling sker (vilket är en kvantmekanisk effekt) passerar elektroner genom en smal potentialbarriär och deras energi förändras inte. Detta medför en ökning av koncentrationen av laddningsbärare, i båda banden: konduktivitet och valens. Om processen för elektrostatisk jonisering utvecklas, kan en tunnelnedbrytning av halvledaren inträffa. Under denna process kommer halvledarnas resistans att förändras. Den är vändbar och en gång avstängd elektriskt fält, sedan kommer alla processer att återställas.
Motstånd och slagjonisering
I det här fallet accelereras hål och elektroner när de färdas genom den genomsnittliga fria banan under påverkan av ett starkt elektriskt fält till värden som främjar jonisering av atomerna och brytning av en av de kovalenta bindningarna (huvudatom eller förorening). Stötjonisering sker som en lavin, och laddningsbärare förökar sig i den som en lavin. I det här fallet accelereras de nyskapade hålen och elektronerna av en elektrisk ström. Det slutliga resultatet av strömvärdet multipliceras med stötjoniseringskoefficienten, som är lika med antalet elektron-hålspar som bildas av laddningsbäraren längs ett vägsegment. Utveckling denna process leder i slutändan till lavinnedbrytning av halvledaren. Resistansen hos halvledare förändras också, men som i fallet med tunnelbrott är det reversibelt.
Tillämpning av halvledare i praktiken
Den särskilda betydelsen av dessa element bör noteras inom datateknik. Vi har nästan inga tvivel om att du inte skulle vara intresserad av frågan om vad halvledare är om det inte var för önskan att självständigt montera ett objekt med hjälp av dem. Omöjligt att föreställa sig arbete moderna kylskåp, TV-apparater, datorskärmar utan halvledare. Avancerad fordonsutveckling klarar sig inte utan dem. De används också inom flyg- och rymdteknik. Förstår du vad halvledare är och hur viktiga de är? Naturligtvis kan vi inte säga att dessa är de enda oersättliga elementen för vår civilisation, men vi ska inte heller underskatta dem.
Användningen av halvledare i praktiken beror också på ett antal faktorer, inklusive den utbredda tillgängligheten av materialen som de är gjorda av, lättheten att bearbeta och erhålla det önskade resultatet, och andra tekniska funktioner, tack vare vilket valet av forskare som utvecklade elektronisk utrustning satte sig på dem.
Slutsats
Vi tittade i detalj på vad halvledare är och hur de fungerar. Deras motståndskraft är baserad på komplexa fysikaliska och kemiska processer. Och vi kan meddela dig att fakta som beskrivs i artikeln inte helt kommer att förstå vad halvledare är, av den enkla anledningen att inte ens vetenskapen helt har studerat funktionerna i deras arbete. Men vi känner till deras grundläggande egenskaper och egenskaper, vilket gör att vi kan använda dem i praktiken. Därför kan du leta efter halvledarmaterial och experimentera med dem själv, var försiktig. Vem vet, det kanske finns en stor upptäcktsresande inom dig?!