Puslaidininkiai - medžiagos, kurių elektrinis laidis kambario temperatūroje (10-8-103 S/cm) mažesnis negu metalų (104-106 S/cm) ir didesnis negu dielektrikų (10-12-10-14 S/cm).
Keičiant temperatūrą, slėgį, veikiant šviesa, jonizuojančiąja spinduliuote, esant stipriam elektriniam laukui, t. p. įterpiant į medžiagą priemaišinius atomus, puslaidininkių elektrinis laidis gali kisti plačiose ribose. Puslaidininkiai yra periodinės elementų sistemos IV A ir VI A grupių cheminiai elementai: silicis, germanis, selenas ir telūras, taip pat deimantas (anglies atmaina), kai kurie dvinariai III A ir V A grupių cheminių elementų junginiai (GaAs, InSb, GaP, InP), II B ir VIiA grupių cheminių elementų junginiai (ZnTe, CdTe, CdS), IV A ir VI A grupių cheminių elementų junginiai (PbTe, PbSe, PbS), sudėtingi cheminiai junginiai, pvz., Cu2O, Bi2Te3, V2O3, ZnSnP2, CdGeAs2, įvairių minėtų medžiagų mišiniai (kietieji tirpalai). Puslaidininkių savybės būdingos daugeliui elektrai laidžių organinių medžiagų.
Grynųjų puslaidininkių, kitaip negu metalų, temperatūrai kylant elektrinė varža mažėja, o atšaldžius iki temperatūros, artimos 0 K, jie tampa izoliatoriais.
Puslaidininkių elektrinės savybės aiškinamos taikant energijos juostų modelį (juostų teorija). Aukščiausia juosta, kurioje tankiai išsidėstę elektronų energijų lygmenys yra užpildyti valentiniais elektronais, vadinama valentine, pirmoji neužpildyta - laidumo, o energijos tarpas tarp laidumo ir valentinės juostų - draudžiamąja juosta.
Žemoje temperatūroje elektronai visiškai užpildo valentinę juostą, laidumo juosta lieka tuščia, ir puslaidininkių elektrinė varža yra labai didelė. Aukštesnėje temperatūroje (dėl atomų virpesių) arba veikiant šviesai elektronai iš valentinės juostos gali peršokti į laidumo juostą, kurioje sužadintieji elektronai ir valentinėje juostoje likusios elektronų neužpildytos būsenos - skylės yra laisvieji krūvininkai (elektriniame lauke perneša krūvį).
Taip pat skaitykite: Kaip temperatūra veikia puslaidininkių varžą?
Puslaidininkių laidumo ir valentinės juostų užpildymas ir elektrinio laidumo tipas (elektroninis ir skylinis elektrinis laidumas) keičiamas legiruojant donorinėmis arba akceptorinėmis priemaišomis. Įterpiant donorines priemaišas (pvz., fosforo atomus į silicio kristalą) draudžiamojoje energijos juostoje netoli laidumo juostos susidaro užimtoji (donorinė) būsena. Elektronai peršokę iš šios būsenos į laidumo juostą tampa krūvininkais (elektroninis, arba n tipo elektrinis laidumas). Įterpiant akceptorines priemaišas (pvz., boro atomus į silicį) netoli valentinės juostos susidaro laisvoji akceptorinė būsena, į kurią gali peršokti elektronai iš valentinės juostos, taip valentinėje juostoje susidaro laisvos elektroninės būsenos - skylės (skylinis, arba p tipo elektrinis laidumas).
Praktikoje dažniausiai naudojami puslaidininkiai yra kietosios būsenos (monokristalinės, polikristalinės arba amorfinės medžiagos). Įterpiant į puslaidininkius skirtingų legiravimo priemaišų sudaromos įvairios puslaidininkinės sandūros. Jei viena puslaidininkių dalis padaroma elektroninio, o kita skylinio laidumo, tarp jų susidaro potencialo barjeras - pn sandūra, pasižyminti netiesinėmis elektrinėmis, elektros srovės lyginimo ir kitomis savybėmis.
Daugelio puslaidininkių krūvininkų tankio bei judrio priklausomybe nuo įvairių išorinių veiksnių naudojamasi kuriant magnetinio lauko, temperatūros, slėgio, regimosios, infraraudonosios ir mikrobangų spinduliuotės jutiklius ir kitus įtaisus. Iš skirtingų puslaidininkių sudarytų daugiasluoksnių darinių elektrinėmis savybėmis naudojamasi gaminant puslaidininkinius diodus, fotodiodus, šviesos diodus, fotovoltinius saulės elementus, puslaidininkinius lazerius, tranzistorius, integrinius grandynus ir daugelį kitų puslaidininkinių įtaisų.
Puslaidininkių kristalinę sandarą, jų elektrinį laidį, krūvio pernašą, optines ir kitas savybes nagrinėja puslaidininkių fizika.
Puslaidininkių energijos juostų diagrama
Taip pat skaitykite: Elektrinio lauko įtaka
Varžos priklausomybė nuo temperatūros. Varža priklauso ne tik nuo laidininko matmenų ir medžiagos, bet ir nuo temperatūros. Metaliniame laidininke, kylant temperatūrai, didėja laisvųjų elektronų chaotiško judėjimo greitis, intensyvėja atomų virpesiai, dažnėja elektronų susidūrimai su atomais. Dėl to mažėja elektronų dreifo greitis ir srovės stiprumas, o tai tolygu laidininko varžos didėjimui. Visų metalų varža, kylant temperatūrai, didėja.
Anglyje, elektrolituose ir puslaidininkiuose, kylant temperatūrai, daugėja laisvų elektringų dalelių vienetiniame tūryje, todėl jų varža mažėja. Derinant priešingų savybių medžiagas, galima gauti lydinius, nepriklausančius nuo temperatūros.
Santykinis varžos pokytis lygus varžos pokyčiui ir pradinės varžos santykiui: =R/R0, kur R0 - laidininko varža 0°C temperatūroje, R - varža temperatūroje t.
Superlaidumas. Krintant temperatūrai, metalų varža palaipsniui mažėja. Šis procesas vyksta tik iki tam tikros ribos - pasiekus itin žemą temperatūrą, paprastai 3-6K virš absoliutinio nulio, laidininko varža staiga išnyksta. Tai - superlaidumas. Temperatūra, žemiau kurios laidininkas nustoja varžos, vadinama krizine temperatūra.
Į superlaidžiąją būseną - varis, auksas, sidabras, platina, kad ir kaip šaldomi, nevirsta superlaidininkais. Superlaidžiame žiede arba uždaroje ritėje kartą sužadinta srovė teka nesilpnėdama praktiškai metus ar ilgiau. Srovė superlaidininkais teka neprarasdama energijos.
Taip pat skaitykite: Temperatūrinė metalų laidumo priklausomybė
Superlaidumas
Elektromagnetais, kurių apvija suvyniota iš superlaidininko, sukuriami stiprūs ir stabilūs magnetiniai laukai.
Elektros srovė metaluose. Kryptingas elektringų dalelių judėjimas vadinamas elektros srove. Elektros srovę gali sudaryti ir judančios kitokios elektringos dalelės - jonai. Srovė teka tik akimirką - kol išsilygina sujungtų kūnų potencialai, o tada išnyksta elektrinis laukas jungiančiuose laidininkuose ir krūvių judėjimas liaujasi. Norint gauti nenutrūkstamą srovę, reikia nuolatos papildyti vieno kūno krūvį, palaikyti aukštesnį jo potencialą - sukurti laidininke nuolatinį potencialų skirtumą ir nuolatinį elektrinį lauką.
Tai gali atlikti srovės šaltinis, sudarantis pastovią įtampą. Srovė ilgesnį laiką gali tekėti ilgesnį laiką tik uždara grandine. Elektros srovė teka grandine iš šaltinio teigiamo poliaus į neigiamą. Elektronai grandinėje juda nuo šaltinio neigiamo poliaus, kur yra jų perteklius, link teigiamo, priešingai nei srovės kryptis. Srovės kryptis ir elektronų judėjimo kryptis yra priešingos.
Elektrinis laukas plinta didžiausiu gamtoje greičiu (3*108 m/s). Elektronai juda laidininke: be chaotiško labai intensyvaus šiluminio judėjimo, jie lėtai slenka viena kryptimi. Šis judėjimas vadinamas elektronų dreifu. Tai ir yra elektros srovė. Vidutinis dreifo greitis, net veikiant aukštai įtampai, tėra vos keletas milimetrų per sekundę, o chaotiško judėjimo greičiai siekia milijoną metrų per sekundę.
Srovės stiprumas. Elektros srovės stiprumas laidininke (I) išreiškiamas pratekėjusio elektros krūvio (q) ir laiko (t) santykiu: I=q/t [I]=A 1A=1C/1s. Prietaisai srovei matuoti vadinami ampermetrais. Srovė, kurios kryptis ir stiprumas laikui bėgant nekinta, vadinama nuolatine srove.
S - skerspjūvio plotas, l - ilgis, n - elektronų koncentracija, v - dreifo greitis, q=enV=enSl; I=q/t; I=enSl/t; I=envS Elektros srovės stiprumas priklauso nuo laidininko skerspjūvio ploto ir dreifo greičio.
Srovės tankis. Srovės stiprumo ir laidininko skerspjūvio ploto santykis vadinamas srovės tankiu (j): j=I/S [j]=A/m² j=env. Srovės tankį lemia dreifo greitis.
Omo dėsnis. Srovės stiprumas tiesiog proporcingas prijungtai įtampai: I=gU g - elektrinis laidumas [g]=S (simensu). Varža - tai laidumui atvirkštinis dydis: R=1/g I=U/R. Srovė laidininke tiesiog proporcinga įtampai ir atvirkščiai proporcinga laidininko varžai.
Srovės stiprumo priklausomybės nuo įtampos grafikas vadinamas laidininko voltamperine charakteristika. Kuo mažesnė laidininko varža, juo stipresnė srovė, juo stačiau kyla į viršų grafikas.
Laidininkų varža. Varža vadinama medžiagos savybė priešintis elektros srovei. R=U/I [R]= 1=1V/1A Omas - tai varža tokio laidininko, kuriuo teka 1A srovė, kai įtampa tarp laidininko galų lygi 1V. Elektros grandinės elementai, skirti varžai sudaryti, vadinami rezistoriais.
Laidininko varža yra tiesiog proporcinga jo ilgiui ir atvirkščiai proporcinga skerspjūvio plotui: R=ρl/S ρ - specifinė varža. [ρ]=m Kuo didesnė varža, tuo mažesnis laidumas, ir atvirkščiai. Laidumo vienetas simensu S=1/1.
Dvi nenutrūkstamo srovės tekėjimo sąlygos: turi būti uždara grandinė ir joje įjungtas srovės šaltinis.
Elektros grandinę sudaro dvi dalys: išorinė ir vidinė. Išorinė grandinės dalis - tai visa, kas yra prijungta prie šaltinio gnybtų. Išorinė grandinės dalis vartoja elektros energiją - joje elektros energija virsta kitų rūšių energija. Išorinės grandinės dalies varža vadinama išorine varža (R). Elektronai juda nuo neigiamo poliaus lig teigiamo. Elektronai juda kryptingai, veikiami elektrostatinių jėgų.
Vidinė grandinės dalis yra paties elektros srovės šaltinio vidus - laidininkai, kuriais juda elektringos dalelės šaltinio viduje. Galvaniniame elemente - tai elektrolitas ir elektrodai; generatoriuje - inkaro apvija. Vidinėje grandinės dalyje kitų rūšių energija virsta elektros energija. Vidinės grandinės dalies varža vadinama vidine varža (r). Elektronai juda nuo teigiamo poliaus lig neigiamo. Elektronai juda kryptingai pašalinių jėgų veikiami.
Elektros srovės šaltinyje kokios nors rūšies energija nenutrūkstamai virsta elektros energija. Galvaniniame elemente - cheminė, generatoriuje - mechaninė, termoelemente - šiluminė virsta elektros energija. Neelektrinės kilmės jėgos, veikiančios elektros srovės šaltinyje, vadinamos pašalinėmis jėgomis. Neelektrinės kilmės jėgų verčiami elektronai juda prieš elektrostatinio lauko jėgas.
Pašalinės jėgos. EVJ. Pašalinių jėgų darbą apibūdina fizikinis dydis - elektrovaros jėga. Pašalinių jėgų atlikto darbo A perkeliant krūvį q ir to krūvio santykis: =A/q [E]=1V 1V=1J/1C Šaltinio EVJ yra lygi 1V, jeigu, pašalinėms jėgoms jame atliekant 1J darbą, grandine prateka 1C elektros krūvis.
Energijos tvermės dėsnis. Srovės šaltinyje pašalinės jėgos atlikto darbo A ir dėl to pratekėjo krūvis q. Tekant srovei, tas pats krūvis išorinėje grandinės dalyje atliko darbą Aišor, o vidinėje grandinės dalyje - darbą Avid. Remiantis energijos tvermės dėsniu: A=Aišor + Avid A/q=Aišor/q+ Avid/q E=Uišor + Uvid Šaltinio EVJ yra lygi grandinės išorinės ir vidinės dalių įtampų sumai.
Uždaroje grandinėje krūvis niekur negali kauptis, todėl srovės stiprumas abiejose dalyse vienodas Uišor =IR Uvid=Ir E=IR+Ir Omo dėsnis uždarai grandinei. Uždara grandine tekančios srovės stiprumas yra tiesiog proporcingas šaltinio EVJ ir atvirkščiai proporcingas išorinių ir vidinių varžų sumai.
Esant išjungtai grandinei, šaltinio gnybtų įtampa lygi jo EVJ. Šaltinio gnybtų sujungimas labai mažos varžos R 0 laidininku vadinamas trumpuoju sujungimu. Tuomet srovės stiprumas priklauso tik nuo vidinės varžos r : I=E/r Trumpasis sujungimas - dažna gaisrų priežastis.
Elektros srovė skysčiuose. Metalais, jų lydiniais, anglimi elektros srovė teka visiškai nekeisdama jų cheminės sudėties. Tekant srovei, jie tik įšyla. Tokios medžiagos vadinamos pirmosios rūšies laidininkais. Joms būdingas elektroninis laidumas. Antrosios rūšies laidininkai - rūgščių, bazių, druskų tirpalai bei išlydytų dielektrikų (druska) - tekant srovei ne tik įšyla, bet ir chemiškai skyla į sudėtines dalis.
Medžiagos, kurios ištirpintos arba išlydytos praleidžia elektros srovę, vadinamos elektrolitais. Elektrolitui tirpstant vandenyje, molekulės suyra į teigiamą ir neigiamą elektros krūvį turinčias dalis, jonus. Elekrolito skilimas į jonus veikiant tirpikliui, vadinamas elektrolitine disociacija. Skirtingų ženklų jonai gali susijungti ir vėl sudaryti neutralią molekulę. Šis procesas vadinamas molizacija arba jonų rekombinacija. Teigiami jonai juda link neigiamo elektrodo - katodo, o neigiami jonai - link teigiamo elektrodo, anodo. Šie jonų srautai sudaro elektros srovę elektrolituose. Antrosios rūšies laidininkų elektrolitų laidumas yra joninis. Elektrolitu tekančiai elektros srovei galioja Omo dėsnis.
Medžiagos išsiskyrimas ant elektrodų, tekant srovei elektrolitu, vadinamas elektrolize. Elektrolizės metu patys elektrodai gali reaguoti arba nereaguoti su elektrolitu. Elektrolizės metu išsiskyrusios medžiagos masė yra tiesiog proporcinga srovės stiprumui ir jos tekėjimo laikui: m=kIt q=It m=kq Proporcingumo koeficientas k vadinamas išskirto...
Elektrolizės schema
Elektros imtuvų jungimo būdai.
Nuoseklus. Nuosekliuoju vadinamas toks jungimas, kai grandinės elementai jungiami paeiliui, vienas po kito. Nuosekliai sujungta grandinė neturi atšakų.
- Nuosekliai sujungtoje grandinės dalyje srovės stiprumas visur vienodas: I=const
- Nuoseklioje grandinėje atskirų dalių įtampos tiesiog proporcingos jų varžoms: IR1=U1 IR2=U2 U1/ U2= R1 / R2
- Visos nuosekliai sujungtos grandinės įtampa lygi atskirų dalių sumai: U=U1+U2+…
- Nuosekliai sujungtos grandinės bendra varža lygi atskirų dalių varžų sumai. Grandinės bendra varža (R) vadinama ekvivalentine varža.
Grandinei nutrūkus nors vienoje vietoje, srovė nutrūksta visoje grandinėje.
Lygiagretus. Lygiagrečiuoju vadinamas toks jungimas, kai vieni grandinės elementų gnybtai jungiami į vieną mazgą, o kiti -į kitą. Tarp mazgų sudaromos atskiros šakos.
- Visų lygiagrečiai sujungtų grandinės šakų įtampa vienoda: U=const.
- Grandinės mazguose elektros krūviai nesikaupia. Todėl į mazgą įtekančių ir iš jo ištekančių srovių sumos yra lygios: I=I1+I2+…
- Atskiromis šakomis tekančių srovių stiprumai atvirkščiai proporcingi tų dalių varžoms. I1/ I2 =R2/ R1
- Lygiagrečiai sujungtos grandinės laidumas yra lygus atskirų laidumų sumai: g=g1+g2+… Lygiagrečiai sujungti imtuvai nepriklauso vienas nuo kito.
Dažnai taikomas mišrusis jungimo būdas.
Išvados: Imtuvus jungiant nuosekliai pasiskirsto įtampa ir padidėja varža, o jungiant lygiagrečiai pasiskirsto srovė ir sumažėja varža.
Elektros šaltinių jungimas į baterijas.
Nuoseklus. Kai reikia padidinti įtampą, elementai jungiami nuosekliai. Baterijos iš n elementų EVJ E yra n kartų didesnė už vieno elemento EVJ E1 ; E=n E1 . tačiau n kartų padidėja ir baterijos vidinė varža: r=nr1. I= n E1 /R+ nr1.
Lygiagretus. Sujungus m elementų lygiagrečiai baterijos EVJ nepadidėja - lieka tokia pat, kaip vieno elemento, bet m kartų sumažėja baterijos vidinė varža: r=r1/m Srovės stiprumas lygus: I= E1 /R+ r1/m
Mišrusis. Jeigu bateriją sudaro m lygiagrečių šakų, kurių kiekvienoje nuosekliai sujungta po n elementų, tai srovės stiprumas lygus: I=n E1 /R+n r1/m
Darbas. Galia.
Elektros srovės darbas. Elektros energija, kurią suteikia krūviams srovės šaltinis, išorinėje grandinės dalyje virsta kitų rūšių energija: akumuliatoriuose - chemine, elektros varikliuose - mechanine, šildymo prietaisuose - šilumine, apšvietimo lempose - šilumine, šviesos energija. Elektros energijos kiekis, kuris išorinėje grandinės dalyje virsta kitų rūšių energija, yra lygus elektros srovės darbui. A=qU q=It A=IUt Prietaisai srovės darbui matuoti - elektros energijos skaitikliai. A=U²t/R A=I²Rt
tags: #puslaidininkiu #varzos #priklausomybe #nuo #temperaturos