Аналіз електропровідності та надпровідності

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Електропровідність

Інтенсивність, густина або величина струму в електричному колі пропорційна напруженості електричного поля (Е) і залежить від властивостей провідника, через який проходить струм.

Показник провідника, який визначає густину струму в даному електричному полі, називають електропровідністю і позначають буквою v: j= vE.

Щоб визначити фізичну суть електропровідності, розглянемо відрізок провідника l з поперечним перерізом S при напрузі U і напруженості електричного поля Е. Згідно з формулою: U=El, звiдки E=U/l

Тоді j=I/S= vS/l, I= vSU/l.

Поділивши на U, дістанемо: I/U= vS/l=G

Відношення величини струму I до напруги джерела енергії U називають провідністю, або активною провідністю і позначають буквою G.

Провідність залежить від електропровідності провідника v, його поперечного перерізу S i довжини l; вона визначає величину утворюваного струму при заданих розмірах і властивостях провідника, якщо напруга на його кінцях дорівнює 1 В. Часто використовують такий запис: G=I/U.

Одиницею провідності е ампер на вольт (А/В) або сименс (См). А/В (См) = А/В.

Електропровідність провідника з поперечним перерізом один квадратний міліметр і довжиною один метр визначає питома електропровідність, яку позначають буквою у. Одиницею питомої електропровідності є сименс на метр (См/м).

2. Надпровідність

На початку XX ст. вченими було виявлено, що при температурах, близьких до абсолютного нуля (--273,16 °С або 0 К), деякі провідники втрачають властивості опору електричного струму. Це явище назвали надпровідністю.

Оскільки надпровідність може дати великий економічний ефект, то почалися роботи над тим, щоб дістати надпровідність при більш високих, або критичних, температурах Tк, коли провідник стає надпровідником. Якщо в 1911 р. для ртуті Tк = 4,1 К, то в 1965 р. було одержано сплави, критична температура яких 20,4 К.

У 1086 р. Швейцарські фізики одержали керамічний матеріал, Tк якого була близько З0 К, а в 1987 р. з'явилися матеріали з властивостями надпровідності при Тк = 100 К.

Фізичні явища надпровідності розглядаються в спеціальній літературі. Подамо напрями застосування надпровідників.

Надпровідники можуть застосовуватися:

- при передачі електроенергії, де в звичайних лініях втрати становлять близько 10 %. Проте, не дивлячись на дешевизну рідкого азоту, надпровідниковий матеріал дуже дорогий, крім того, на квадратний сантиметр він може пропустити лише тисячі ампер;

- як сильні електромагніти. Надпровідники можуть мати велике магнітне поле у поїздах на магнітних подушках, швидкість таких поїздів -- 500 км/год. Проте тут виникають питання про залізничне полотно і вплив магнітного поля на пасажирів;

- для накопичення енергії. У катушках з надпровідників струм може циркулювати вічно, але якщо треба, то проходження його можна припинити. Проте магнітне поле буде розпирати таку катушку сильніше, ніж порохові гази в стволі гармати у момент розстрілу і витримувати це не долі секунд, а постійно. Матеріалів, що витримали б такий тиск немає;

- у ЕОМ. Вони знижують виділення тепла схемою, сприяють підвищенню швидкості обчислення та ін.

3. Рух носіїв зарядів

Носії заряду є вільними частками й рухаються у зовнішньому електричному полі. На заваді цьому рухові стають зіткнення із дефектами, зміщеними зі своїх положень атомами кристалічної ґратки тощо. В результаті такого руху носії заряду набувають певної середньої швидкості, яка пропорційна напруженості електричного поля. Ця швидкість називається дрейфовою швидкістю.

Коефіцієнт пропорційності між дрейфовою швидкістю й напруженістю електричного поля називається рухливістю:

електропровідність заряд дірковий діод

де: ? v ? -- дрейфова швидкість, м -- рухливість, E -- напруженість електричного поля.

Рухливість є характеристикою носія заряду в даному середовищі. Наприклад, рухливість електронів у кремнії, чи рухливість дірок в арсеніді галію.

4. Електронно-дірковий перехід

Прогрес в розвитку напівпровідникової електроніки зв'язаний з використанням контакту двох домішкових напівпровідників з різним типом провідності. Такий контакт одержав назву електронно-діркового переходу або р-п-переходу. Виготовити його шляхом механічного прилягання двох напівпровідників практично неможливо. Поверхня напівпровідників, як би ретельно вона не була очищена, містить величезну кількість домішок, забруднень і дефектів, що різко змінюють властивості напівпровідника. Тому успіх в освоєнні р-n-переходів був досягнутий лише тоді, коли навчилися робити їх у вигляді внутрішньої межі в монокристалічному напівпровіднику.

Розглянемо стисло основні методи отримання р-n-переходів.

Метод сплаву (сплавні р-n-переходи). Це один з найпоширеніших методів отримання переходів. Сутність його розглянемо на прикладі отримання р-n переходу шляхом сплаву германію n типу з індієм.

На кристал n-германія 1 кладеться індій 2 (рис. 6.8, а). Кристал поміщається в графітну касету 3 і витримується в печі при 500 - 600° С в атмосфері водню або аргону. При цьому індій розплавляється і у вигляді краплі 4 розчиняє в собі германій (рис. 6.8, б). При повільному охолоджуванні з розплаву випадає германій 5, насичений індієм. Він кристалізується у формі монокристала, орієнтованого однаково з монокристалом підкладки. Оскільки германій, що містить індій, має р-провідність, то на межі розплаву і монокристала германію, що має n-провідність,створюється р-n-перехід, що закристалізовується (рис. 6.8, в). Крапля індію 6 на поверхні германію відіграє роль омічного контакту, що має практично лінійну ВАХ. Такі контакти використовуються для під'єднування приладів в коло.

Метод витягування (витягнуті р-n-переходи). Сутність методу полягає в тому, що при витягуванні монокристала з розплаву (при виготовленні напівпровідникового монокристала) в нього вводять спочатку домішку, надаючи йому n-провідність, а потім р-провідність. Між двома такими частинами монокристала утворюється р-n-перехід.

Дифузійний метод (дифузійні р-n-переходи). Електронно-дірковий перехід може бути одержаний також дифузією акцепторної домішки в донорний напівпровідник або донорної домішки в акцепторний напівпровідник. Дифузію можна вести з газоподібної, рідкої або твердої фази. Глибина проникнення домішки і залягання р-n-переходу визначається температурою і часом проведення дифузії. Переходом служить межа, що відділяє області з різним типом провідності.

Рисунок 4.1 - Отримання р-n-переходу методом сплаву

Епітаксійний метод. Він полягає в осадженні на пластину, наприклад, кремнію n-типу, монокристалічної плівки кремнію р-типу. На межі цієї плівки і пластини утворюється р-n-перехід.

Метод іонного легування. Сутність методу полягає в тому, що поверхневий шар напівпровідника даного типу провідності за допомогою іонного пучка легується домішкою, що надає цьому шару провідність протилежного знаку.

5. Напівпровідниковий діод

Напівпровідниковий діод-- напівпровідниковий прилад з одним випрямним електричним переходом і двома зовнішніми виводами. На відміну від інших типів діодів, принцип дії напівпровідникового діода ґрунтується на явищі p-n переходу.

Випрямним електричним переходом в напівпровідникових діодах може бути електронно-дірковий перехід, гіперперехід або контакт метал-напівпровідник.

Випрямний перехід, окрім ефекту випрямлення, має й інші властивості, що використовуються для створення різних видів напівпровідникових діодів: випрямних діодів, стабілітронів, лавинно-пролітних діодів, тунельних діодів, варикапів та інших. Тому напівпровідникові діоди поділяють: на випрямні, високочастотні та надвисокочастотні, імпульсні, опірні (стабілітрони), чотиришарові перемикаючі PIN-діоди, фотодіоди, світлодіоди, тунельні діоди та інші.

6. Види напівпровідникових діодів

Напівпровідник-напівпровідник - якщо сплавити напівпровідники з різними типами провідності (n- та p-провідністю), то на межах їх стику утворюється p-n-перехід. Вільні електрони з області напівпровідника з n-провідністю рекомбінують з «дірками» напівпровідника з p-провідністю. Утворюється нейтральний шар, який розділяє дві області з електричними зарядами. Створюється різниця потенціалів. Якщо подати напругу негативним знаком на n-область та позитивним на p-область, то електрони будуть здатні подолати нейтральний бар'єр і через діод потече струм (пряме увімкнення діода). Якщо подати напругу додатним знаком на n-область, а негативним на p-область, то нейтральний шар розшириться і струм протікати не буде.

Метал-напівпровідник - якщо методом катодного розпилення, або вакуумного осадження, на очищену зону напівпровідника, нанести метал, то утвориться з'єднання метал-напівпровідник. Робота виходу електронів з металу значно більша, ніж у напівпровідника. Тому утвориться різниця робіт виходу, та різниця потенціальних бар'єрів. Це зумовить перехід електронів із напівпровідника до металу, та відсутність переходу електронів із металу до напівпровідника.

Размещено на Allbest.ru