Электрический ток в полупроводниках и вакууме

1.

2.

Электрический ток в металлах
Применение
Примечания
крупномасштабное
а) экранирование
Сверхпроводник не пропускает
магнитный поток, следовательно, он
экранирует электромагнитное излучение.
Используется в микроволновых
устройствах, защита от излучения при
ядерном взрыве.
сильноточные
устройства
а) магниты - научноисследовательское
оборудование
- магнитная левитация
Магниты используются в ускорителях
частиц и установках термоядерного
синтеза.
Интенсивно проводятся работы по
созданию поездов на магнитной подушке.
другие применения
а) передача энергии
б) аккумулирование
в) вращающиеся
электрические машины
Возможность аккумулировать
электроэнергию в виде циркулирующего
тока. Комбинация полупроводниковых и
сверхпроводящих приборов открывает
новые возможности в

3.

• Собственная проводимость полупроводников
• Примесная проводимость полупроводников
• p – n переход и его свойства

4. Полупроводники

Электрический ток в полупроводниках
Полупроводники
Полупроводники – вещества у которых
удельное сопротивление с повышением
температуры уменьшается
• Собственная проводимость
полупроводников
• Примесная проводимость
полупроводников
• p – n переход и его свойства

5. Собственная проводимость полупроводников

Электрический ток в полупроводниках
Собственная проводимость полупроводников
• Рассмотрим проводимость полупроводников на основе
кремния Si
Кремний – 4 валентный
химический элемент.
-
Si
-
Si
-
Si
-
Si
-
Каждый атом имеет во
внешнем электронном
слое по 4 электрона,
которые используются
для образования
парноэлектронных
(ковалентных) связей с 4
соседними атомами
Si
При обычных условиях (невысоких температурах) в
полупроводниках отсутствуют свободные заряженные частицы,
поэтому полупроводник не проводит электрический ток

6.

Электрический ток в полупроводниках
Рассмотрим изменения в полупроводнике при увеличении
температуры
-
Si
+-
свободный
электрон
Si
+- дырка
Si
-
-
Si
+-
Si
При увеличении температуры энергия электронов
увеличивается и некоторые из них покидают связи, становясь
свободными электронами. На их месте остаются
некомпенсированные электрические заряды (виртуальные
заряженные частицы), называемые дырками.

7. Поместим полупроводник в электрическое поле.

Электрический ток в полупроводниках
Поместим полупроводник в электрическое поле.
Итак: электроны бегут влево, дырки – вправо
Проводимость – электронно-дырочная

8.

Электрический ток в полупроводниках
Таким образом, электрический ток в полупроводниках
представляет собой упорядоченное движение свободных
электронов и положительных виртуальных частиц - дырок
Зависимость сопротивления от температуры
R (Ом)
металл
R0
полупроводник
t (0C)
При увеличении температуры растет число свободных
носителей заряда, проводимость полупроводников растет,
сопротивление уменьшается.

9.

Электрический ток в полупроводниках
Собственная проводимость полупроводников явно недостаточна
для технического применения полупроводников. Поэтому для
увеличение проводимости в чистые полупроводники внедряют
примеси (легируют) , которые бывают донорные и акцепторные
• Донорные примеси
-
Si
Si
-
-
-
As
-
-
Si
-
Si
При легировании
4–валентного кремния Si
5–валентным мышьяком As,
один из 5 электронов
мышьяка становится
свободным.
As – положительный ион.
Дырки нет!
Такой полупроводник называется полупроводником n – типа,
основными носителями заряда являются электроны, а примесь
мышьяка, дающая свободные электроны, называется донорной.

10. Акцепторные примеси

Электрический ток в полупроводниках
Акцепторные примеси
Если кремний легировать трехвалентным индием, то для
образования связей с кремнием у индия не хватает одного
электрона, т.е. образуется дырка
Основа дает электроны и
дырки в равном количестве.
Si
Si
Примесь – только дырки.
Такой полупроводник
называется полупроводником p –
типа, основными носителями
In
заряда являются дырки, а
примесь индия, дающая дырки,
называется акцепторной
Si
Si
+
-

11.

Электрический ток в полупроводниках
Итак, существует 2 типа полупроводников, имеющих большое
практическое применение:
+
-
р - типа
n - типа
Основные носители заряда –
Основные носители заряда –
дырки
электроны
Помимо основных носителей в
полупроводнике существует очень
малое число неосновных носителей
заряда ( в полупроводнике p – типа
это электроны, а в полупроводнике n
– типа это дырки), количество
которых растет при увеличении
температуры

12.

Электрический ток в полупроводниках
Рассмотрим электрический контакт двух полупроводников p и n
типа, называемый p – n переходом
р
n
+
+
+
+
+ +
+
+
-
-
-
-
-
Начинается бурный процесс диффузии. e из n-типа переходят
в p-тип, дырки из p-типа переходят в n-тип. Образовались
заряженный области: ОА и ОВ. Образуется контактная
разность потенциалов
Область АОВ – запирающая область, обладает огромным R.
Причина – обеднена основными носителями тока.

13.

Электрический ток в полупроводниках
Проводимость контакта.
1. Прямое включение
Eвнеш
+
+
+
+ +
+
+
+
+
-
-
-
-
Под действием внешнего поля область АОВ сузится до А'ОВ‘.
Сопротивление перехода уменьшается, ток резко
увеличивается. Такое включение называется прямым,
электрический ток обусловлен основными носителями заряда.

14.

Электрический ток в полупроводниках
2. Обратное включение
Eвнеш
р
+
-
+
+ +
+
+
+
+
-
-
+
-
Под действием внешнего поля область АОВ расширится до
А'ОВ' . Сопротивление перехода увеличивается, ток резко
уменьшается. Такое включение называется обратным,
электрический ток обусловлен неосновными носителями
заряда.

15.

Электрический ток в полупроводниках
Итак, основное свойство p – n перехода заключается в его
односторонней проводимости.Полупроводниковый диод – это
p – n переход, заключенный в корпус. Основное свойство
диода – его односторонняя электрическая проводимость.
Обозначение
полупроводникового
диода на схемах
Вольт – амперная характеристика полупроводникового диода
(ВАХ)
I (A)
I (A)
идеальный
диод
I (мA)
U (В)
U (В)

16.

17. Вакуум

Электрический ток в вакууме
Вакуум
Вакуум - сильно разреженный газ, в котором средняя длина
свободного пробега частицы больше размера сосуда. В
результате в вакууме нет свободных носителей заряда, и
самостоятельный разряд не возникает. Для создания
носителей заряда в вакууме используют явление
термоэлектронной эмиссии.

18. Фотоионизация

Электрический ток в вакууме
Фотоионизация
Ионизация атомов и
молекул под
действием света
называется
фотоионизацией.

19. Термоэлектронная эмиссия

Электрический ток в вакууме
Термоэлектронная эмиссия
Если два электрода поместить в герметичный сосуд и
удалить из сосуда воздух, то электрический ток в вакууме
не возникает - нет носителей электрического тока.
Американский ученый Т. А. Эдисон (1847-1931) в 1879 г.
обнаружил, что в вакуумной стеклянной колбе может
возникнуть электрический ток, если один из находящихся в
ней электродов нагреть до высокой температуры. Явление
испускания свободных электронов с поверхности нагретых
тел называется термоэлектронной эмиссией.
На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа
различных электронных ламп.

20. Вакуумный диод

Электрический ток в вакууме
Вакуумный диод
Вакуумный диод
обладает
односторонней
проводимостью.
При изменении
полярности
включения Ба , ток
в анодной цепи не
регистрируется.

21. Электрический ток в различных средах

Среды
Носители заряда
Металлы
Свободные электроны
Электролиты
Положительные и отрицательные
ионы
Газ, плазма
Электроны и ионы
Вакуум
Электроны, вылетевшие в
результате эмиссии с
поверхности металла
Полупроводник
и
Электроны и дырки