Puslaidininkiai yra medžiagos, kurių elektrinis laidis kambario temperatūroje yra tarp metalų ir dielektrikų, o jų savybės aiškinamos juostų teorija. Įvairūs veiksniai - temperatūra, slėgis, šviesa, jonizuojančioji spinduliuotė bei priemaišos - gali plačiai keisti jų laidumą, todėl puslaidininkiai tampa svarbiais sensoriais ir įtaisais.
Kas yra puslaidininkiai ir jų gebėjimas keistis laidumu
Puslaidininkiai sudaro daug cheminių sistemų, tarp kurių yra silicio (Si), germanis (Ge), selenas (Se), telūras (Te), anglis kaip grafitas ar diamond, taip pat įvairūs junginiai (GaAs, InSb, GaP, InP, ZnTe, CdTe, CdS, PbTe, PbSe, PbS) ir sudėtiniai tirpalai. Jų elektrinis laidumas priklauso nuo temperatūros, priemaišų tipo (donorinės arba akceptorinės), jų koncentracijos ir išorinių veiksnių. Gryniuose puslaidininkiai kristalams esant žemai temperatūrai, elektrinė varža didėja, o kai temperatūra kyla, varža gali mažėti. Juostų modelyje valentinė juosta užpildoma visiškai, o laidumo juosta tuščia; draudžiamoji juosta nulemia pagrindinį laidumo tipą.
Donorinės ir akceptorinės priemaišos
Įterpiant donorines priemaišas (pvz., fosforo į silicio), susidaro donorinė būsena netoli laidumo juostos, kuria perkėlus elektroną į laidumo juostą tampa krūvininkas. Įterpiant akceptorines priemaišas (pvz., boro į silicių), netoli valentinės juostos atsiranda laisvosios skylės, kurios skatina elektronų judėjimą iš valentinės juostos. Tokiu būdu galima įgauti elektroninį (n tipo) arba skylinį (p tipo) laidumą, o tarp šių dalių gali susidaryti pn sandūros pavaizduojančios netiesinių elektrinių bei srovės charakteristikas.
Be to, apie laidumą organizaciniuose ir įtėmimo kontekstuose
Dažnai naudojami puslaidininkiai yra kietosios būsenos medžiagos: monokristalinės, polikristalinės arba amorfinės. Mišrios jungtys ir sandūros tarp puslaidininkių dalelių sukuria įvairias elektronines savybes. Apsikeitus elementų konfigūracijomis, galima kurti prietaisus, kurie palaiko šviesą, magnetinį lauką ar temperatūros jutiklius.
Valdymas ir sandūrų tipai
Ekonominiai puslaidininkių pritaikymai yra kurti naudojant elektronines (n tipo) ir skylines (p tipo) sandūras. Jei viena puslaidininkių dalis sujungta elektroniniu laidumu, o kita - skyliniu, susidaro netiesinis elektros laukas. Tokios sandūros dėka galima kurti pn sandūras ir atskiras diodines ar tranzistorines savybes, kurios yra esminės modernioje elektronikoje.
Taip pat skaitykite: Temperatūros įtaka medžiagų savitajai šilumai
Termodinaminė charakteristika ir varža
Metalų varža didėja su temperatūra dėl didėjančios laisvųjų elektronų dreifo greičio ir fononų sukeliamo judėjimo pasikeitimo; tuo tarpu puslaidininkiai gali rodyti priešingą elgseną: jų varža dažnai mažėja su temperatūra, ypač kai paimama į šalčius ar viršutinėmis temperatūromis. Tačiau puslaidininkių elektrinis laidumas gali didėti arba mažėti priklausomai nuo priemaišų, jų koncentracijos ir išorinių veiksnių.
Tiesioginė formulė varžai skaičiuojama kaip R = ρ·l/S, kur ρ yra specifinė varža, l yra ilgis, o S - skerspjūvio plotas. Besikeičianti ρ priklauso nuo temperatūros ir priemaišų koncentracijos. Palyginimui, metalų varža didėja su temperatūra, nors kai kuriuose lydiniuose galima pasiekti nestandartines savybes ir sumažėjimus.
Termistoriai, termoelementai ir puslaidininkinių šaldytuvų principai
Termistoriai keičia savo varžą veikiant šilumai: jų temperatūros koeficientas (TCS) dažnai didesnis už metalus. Dėka to termistoriai naudojami televizijų, gaisro signalizacijose ir temperatūros kontrolei. Termoelementai veikia pagal Seebecko efektą: kai sankirtos temperatūra skiriasi, atsiranda EMF ir elektra gali būti generuojama. Puslaidininkinių šaldytuvų dizainuose naudojamas tam tikras temperatūros skirtumas, dažnai iki kelių dešimčių laipsnių, siekiant pasiekti šaldymo efektą.
Superlaidumas ir temperatūros ribos
Superlaidumo reiškinys atsiranda, kai metalai, atšaldyti iki labai žemų temperatūrų (pavyzdžiui, Nb: 9,22 K; Pb: 7,26 K; Hg: 4,15 K) pasiekia fazinį pereinamumą ir jų varža staiga išnyksta. Krizines temperatūros laikomos mažiau kaip kelių kelionių ribose, ir superlaidininkų rangas apima įvairias metalų sistemas, įskaitant varį, auksą, sidabrą ir platinas.
Superlaidininkai kuriami Aukso, Sidabro ir Platinos srityse, o jų žingsniai yra žinomi kaip srovės išliekančios daugelį metų uždaroje grandinėje. Taip pat egzistuoja deriniai, kurie gali būti naudojami magnetinių laukų kūrimui be nuolatinio energijos sunaudojimo. Tačiau praktinėje elektronikoje galimi trumpieji junginiai ir gaisrų rizika, todėl saugumo priemonės yra būtinos.
Taip pat skaitykite: Kaip temperatūra veikia puslaidininkių varžą?
Magnitudinės charakteristikos ir praktičiai
Taikant teigiamą įtampą, srovės stiprumas priklauso nuo laidininko skerspjūvio, krypties, temperatūros ir varžos, o ilgoje grandinėje kondukcija gali būti įtakojama dėl įvairių defektų ir priemaišų. Pagrindiniai įtaisai, kai naudojamos medžiagos, apima jonų judėjimą ir elektronų drifts, kurie lemia srovės formavimą. Tyrimai rodo, kad metalų varža didėja su temperatūra dėl fononų ir kristalo gardelės virpesių poveikio elektriniams krūviniams judėjimams.
Laboratoriniai darbai, skirti nustatyti laidininkų varžas ir jų medžiagos savybes, naudoja ampermetrą, voltmetrą, reostatą ir mikrometrą. Analitiniu būdu galima išvesti α koeficientą ir įvertinti, ar eksperimentas atitinka teorinę priklausomybę. Palyginus su žinynais duomenimis, galima nustatyti, iš kokio metalo ar lydinio pagaminti tiriami laidininkai.
Istorija ir žmonijos įnašas į metalo mokslą
Metalų tyrimai yra turtingi: nuo senovės laikų žmonės naudojo auksą, sidabrą, varį, alavą, šviną, geležį ir gyvsidabrį. Pirmoji knyga apie metalų kasybą ir metalurgiją buvo parašyta 1556 metais (G. Agricola). 18-20 a. metais buvo atrasta ir sintetinta daugiau metalų, įskaitant aliuminį, volframą, molibdeną ir kitus. Metalų savybėmis daug įtakos turi jų elektroninė sandara ir laisvųjų elektronų judėjimas kristalo gardelėje, todėl kristalų periodiškumas ir defektai sukelia įvairias fizikines ir chemines charakteristikas.
Praktiniai patarimai ir įrankių apžvalga
- Eksperimentiškai galima nustatyti savitąją varžą naudojant R = ρl/S formulę ir stebėti jos priklausomybę nuo temperatūros.
- Palyginti rezultatus su literatūros duomenimis, kad nustatyti metalo ar lydinio tipą.
- Skirtosios savybės, pvz., termistoriai ar termoelementai, gali būti taikomos temperatūros ir energijos konversijos sistemose.
Kaip veikia diodas – PN sandūra (su animacija) | Tarpinė elektronika
Apibendrinant, metalinių laidininkų savitosios varžos priklausomybė nuo temperatūros yra funkcinė žinių sritis, kuri padeda kurti ir tobulinti puselaidininkinius įtaisus, termistorius, termoelementus ir superlaidžių grandines, atsižvelgiant į temperatūros pokyčius bei kitus išorinius veiksnius.
Taip pat skaitykite: Temperatūrinė metalų laidumo priklausomybė
tags: #metalinio #laidininko #savitosios #varzos #priklausomybe