Что является носителем тока в металлах


Электрический ток в металлах - материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: носители свободных электрических зарядов в металлах.

В этом листке мы приступаем к подробному изучению того, как осуществляется прохождение электрического тока в различных проводящих средах — твёрдых телах, жидкостях и газах.

Напомним, что необходимым условием возникновения тока является наличие в среде достаточно большого количества свободных зарядов, которые могут начать упорядоченное движение под действием электрического поля. Такие среды как раз и называются проводниками электрического тока.

Наиболее широко распространены металлические проводники. Поэтому начинаем мы с вопросов распространения электрического тока в металлах.

Мы много раз говорили о свободных электронах, которые являются носителями свободных зарядов в металлах. Вам хорошо известно, что электрический ток в металлическом проводнике образуется в результате направленного движения свободных электронов.

Свободные электроны


Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой.

Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять.

Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки — они становятся свободными и отправляются «гулять» по всему кристаллу (а именно, свободные электроны перемещаются по внешним орбиталям соседних атомов. Эти орбитали перекрываются друг с другом вследствие близкого расположения атомов в кристаллической решётке, так что свободные электроны оказываются «общей собственностью» всего кристалла). В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы, пространство между которыми заполнено «газом» свободных электронов (рис. 1).

Рис. 1. Свободные электроны

Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа (другой адекватный образ — электронное море, которое «омывает» кристаллическую решётку) — совершая тепловое движение, они хаотически снуют туда-сюда между ионами кристаллической решётки. Суммарный заряд свободных электронов равен по модулю и противоположен по знаку общему заряду положительных ионов, поэтому металлический проводник в целом оказывается электрически нейтральным.

Газ свободных электронов является «клеем», на котором держится вся кристаллическая структура проводника. Ведь положительные ионы отталкиваются друг от друга, так что кристаллическая решётка, распираемая изнутри мощными кулоновскими силами, могла бы разлететься в разные стороны. Однако в тоже самое время ионы металла притягиваются к обволакивающему их электронному газу и, как ни в чём не бывало, остаются на своих местах, совершая лишь тепловые колебания в узлах кристаллической решётки вблизи положений равновесия.

Что произойдёт, если металлический проводник включить в замкнутую цепь, содержащую источник тока? Свободные электроны продолжают совершать хаотическое тепловое движение, но теперь — под действием возникшего внешнего электрического поля — они вдобавок начнут перемещаться упорядоченно. Это направленное течение электронного газа, накладывающееся на тепловое движение электронов, и есть электрический ток в металле (поэтому свободные электроны называются также электронами проводимости). Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, как нам уже известно, составляет приблизительно 0,1мм/с.

Опыт Рикке

Почему мы решили, что ток в металлах создаётся движением именно свободных электронов? Положительные ионы кристаллической решётки также испытывают на себе действие внешнего электрического поля. Может, они тоже перемещаются внутри металлического проводника и участвуют в создании тока?

Упорядоченное движение ионов означало бы постепенный перенос вещества вдоль направления электрического тока. Поэтому надо просто пропускать ток по проводнику на протяжении весьма длительного времени и посмотреть, что в итоге получится. Такого рода эксперимент и был поставлен Э.Рикке в 1901 году.

В электрическую цепь были включены три прижатых друг к другу цилиндра: два медных по краям и один алюминиевый между ними (рис. 2). По этой цепи пропускался электрический ток в течение года.

Рис. 2. Опыт Рикке

За год сквозь цилиндры прошёл заряд более трёх миллионов кулон. Предположим, что каждый атом металла теряет по одному валентному электрону, так что заряд иона равен элементарному заряду Кл. Если ток создаётся движением положительных ионов, то нетрудно подсчитать (сделайте это сами!), что такая величина прошедшего по цепи заряда соответствует переносу вдоль цепи около 2кг меди.

Однако после разъединения цилиндров было обнаружено лишь незначительное проникновение металлов друг в друга, обусловленное естественной диффузией их атомов (и не более того). Электрический ток в металлах не сопровождается переносом вещества, поэтому положительные ионы металла не принимают участия в создании тока.

Опыт Стюарта–Толмена

Прямое экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создаётся движением свободных электронов, было дано в опыте Т.Стюарта и Р.Толмена (1916 год).

Эксперименту Стюарта–Толмена предшествовали качественные наблюдения, сделанные четырьмя годами ранее русскими физиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси. Они обратили внимание на так называемый электроинерционный эффект: если резко затормозить движущийся проводник, то в нём возникает кратковременный импульс тока. Эффект объясняется тем, что в течение небольшого времени после торможения проводника его свободные заряды продолжают двигаться по инерции.

Однако никаких количественных результатов Мандельштам и Папалекси не получили, и наблюдения их опубликованы не были. Честь назвать опыт своим именем принадлежит Стюарту и Толмену, которые не только наблюдали указанный электроинерционный эффект, но и произвели необходимые измерения и расчёты.

Установка Стюарта и Толмена показана на рис. 3.

Рис. 3. Опыт Стюарта–Толмена

Катушка большим числом витков металлического провода приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки с помощью скользящих контактов были подсоединены к специальному прибору — баллистическому гальванометру, который позволяет измерять проходящий через него заряд.

После резкого торможения катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов. Измеряя баллистическим гальванометром суммарный заряд, проходящий по цепи, Стюарт и Толмен вычислили отношение заряда одной частицы к её массе. Оно оказалось равно отношению для электрона, которое в то время уже было хорошо известно.

Так было окончательно выяснено, что носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны. Как видите, этот давно и хорошо знакомый вам факт был установлен сравнительно поздно — учитывая, что металлические проводники к тому моменту уже более столетия активно использовались в самых разнообразных экcпериментах по электромагнетизму (сравните, например, с датой открытия закона Ома — 1826 год. Дело, однако, заключается в том, что сам электрон был открыт лишь в 1897 году).

Зависимость сопротивления от температуры

Опыт показывает, что при нагревании металлического проводника его сопротивление увеличивается. Как это объяснить?

Причина проста: с повышением температуры тепловые колебания ионов кристаллической решётки становятся более интенсивными, так что число соударений свободных электронов с ионами возрастает. Чем активнее тепловое движение решётки, тем труднее электронам пробираться сквозь промежутки между ионами (Представьте себе вращающуюся проходную дверь. В каком случае труднее проскочить через неё: когда она вращается медленно или быстро? :-)). Скорость упорядоченного движения электронов уменьшается, поэтому уменьшается и сила тока (при неизменном напряжении). Это и означает увеличение сопротивления.

Как опять-таки показывает опыт, зависимость сопротивления металлического проводника от температуры с хорошей точностью является линейной:

(1)

Здесь — сопротивление проводника при . График зависимости (1) является прямой линией (рис. 4).

Рис. 4.

Множитель называется температурным коэффициентом сопротивления. Его значения для различных металлов и сплавов можно найти в таблицах.

Длина проводника и его площадь поперечного сечения при изменении температуры меняются несущественно. Выразим и через удельное сопротивление:

и подставим эти формулы в (1). Получим аналогичную зависимость удельного сопротивления от температуры:

Коэффициент весьма мал (для меди, например, ), так что температурной зависимостью сопротивления металла часто можно пренебречь. Однако в ряде случаев считаться с ней приходиться. Например, вольфрамовая спираль электрической лампочки раскаляется до такой степени, что её вольт-амперная характеристика оказывается существенно нелинейной.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика лампочки

Так, на рис. 5 приведена вольт-амперная характеристика автомобильной лампочки. Если бы лампочка представляла собой идеальный резистор, её вольт-амперная характеристика была прямой линией в соответствии с законом Ома. Эта прямая изображена синим пунктиром.

Однако по мере роста напряжения, приложенного к лампочке, график отклоняется от этой прямой всё сильнее и сильнее. Почему? Дело в том, что с увеличением напряжения ток через лампочку возрастает и больше разогревает спираль; сопротивление спирали поэтому также увеличивается. Следовательно, сила тока хотя и продолжит возрастать, но будет иметь всё меньшее и меньшее значение по сравнению с тем, которое предписывается «пунктирной» линейной зависимостью тока от напряжения.

Что такое электрический ток »Электроника

Электрический ток возникает при движении электрических зарядов - это могут быть отрицательно заряженные электроны или положительные носители заряда - положительные ионы.


Учебное пособие по электрическому току Включает:
Что такое электрический ток Единица измерения тока - Ампер ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК


Электрический ток - одно из основных понятий, существующих в электротехнике и электронике. Электрический ток лежит в основе науки об электричестве.

Будь то электрический нагреватель, большая электрическая сеть, мобильный телефон, компьютер, удаленный сенсорный узел или что-то еще, понятие электрического тока является центральным для его работы.

Однако ток как таковой обычно нельзя увидеть, хотя его эффекты можно увидеть, услышать и почувствовать все время, и в результате иногда трудно получить представление о том, что это такое на самом деле.

Удар молнии - это впечатляющее зрелище электрического тока
Фотография сделана с вершины башен Петронас в Куала-Лумпуре Малайзия

Определение электрического тока

Определение электрического тока:

Электрический ток - это поток электрического заряда в цепи.Более конкретно, электрический ток - это скорость прохождения заряда через заданную точку в электрической цепи. Заряд может представлять собой отрицательно заряженные электроны или положительные носители заряда, включая протоны, положительные ионы или дырки.

Величина электрического тока измеряется в кулонах в секунду, обычно единицей измерения является ампер или ампер, обозначаемый буквой «А».

Ампер или усилитель широко используются в электрических и электронных технологиях вместе с умножителями, такими как миллиампер (0.001A), микроампер (0,000001A) и т. Д.

Ток в цепи обычно обозначается буквой «I», и эта буква используется в уравнениях, таких как закон Ома, где V = I⋅R.

Что такое электрический ток: основы

Основная идея тока состоит в том, что это движение электронов внутри вещества. Электроны - это мельчайшие частицы, которые существуют как часть молекулярной структуры материалов. Иногда эти электроны плотно удерживаются внутри молекул, а иногда они удерживаются свободно, и они могут относительно свободно перемещаться по структуре.

Об электронах следует отметить один очень важный момент: они заряженные частицы - они несут отрицательный заряд. Если они перемещаются, то перемещается некоторое количество заряда, и это называется током.

Также стоит отметить, что количество электронов, которые могут двигаться, определяет способность конкретного вещества проводить электричество. Некоторые материалы позволяют току двигаться лучше, чем другие.

Движение свободных электронов обычно очень случайное - оно случайное - столько электронов движется как в одном направлении, так и в другом, и в результате отсутствует общее движение заряда.

Случайное движение электронов в проводнике со свободными электронами

Если на электроны действует сила, перемещающая их в определенном направлении, то все они будут дрейфовать в одном и том же направлении, хотя и в некоторой степени случайным образом, но в целом движение происходит в одном направлении. Одно направление.

Сила, действующая на электроны, называется электродвижущей силой или ЭДС, а ее величина - это напряжение, измеряемое в вольтах.

Электронный поток под действием приложенной электродвижущей силы

Чтобы лучше понять, что такое ток и как он действует в проводнике, его можно сравнить с потоком воды в трубе.У этого сравнения есть ограничения, но оно служит очень простой иллюстрацией тока и протекания тока.

Ток можно рассматривать как воду, текущую по трубе. Когда давление оказывается на один конец, вода движется в одном направлении и течет по трубе. Количество воды пропорционально давлению на конце. Давление или силу, приложенную к концу, можно сравнить с электродвижущей силой.

Когда к трубе прикладывается давление или вода течет в результате открытия крана, вода течет практически мгновенно.То же самое и с электрическим током.

Чтобы получить представление о потоке электронов, требуется 6,24 миллиарда миллиардов электронов в секунду для тока в один ампер.

Обычный ток и поток электронов

Часто существует множество недоразумений относительно обычного потока тока и потока электронов. Сначала это может немного сбивать с толку, но на самом деле все довольно просто.

Частицы, переносящие заряд по проводникам, являются свободными электронами.Направление электрического поля в цепи по определению является направлением проталкивания положительных испытательных зарядов. Таким образом, эти отрицательно заряженные электроны движутся в направлении, противоположном электрическому полю.

Электронный и обычный ток

Это произошло потому, что первоначальные исследования статических и динамических электрических токов были основаны на том, что мы теперь называем носителями положительного заряда. Это означало, что тогда раннее соглашение о направлении электрического тока было установлено как направление, в котором будут двигаться положительные заряды.Это соглашение сохранилось и используется до сих пор.

Итого:

  • Обычный ток: Обычный ток идет от положительного к отрицательному выводу и указывает направление, в котором будут протекать положительные заряды.
  • Электронный поток: Электронный поток идет от отрицательного полюса к положительному. Электроны заряжены отрицательно и поэтому притягиваются к положительному полюсу, так как притягиваются разные заряды.

Это соглашение, которое используется во всем мире по сей день, даже если оно может показаться немного странным и устаревшим.

Скорость движения электрона или заряда

Скорость передачи электрического тока сильно отличается от скорости реального движения электронов. Сам электрон подпрыгивает в проводнике и, возможно, движется по проводнику только со скоростью несколько миллиметров в секунду. Это означает, что в случае переменного тока, когда ток меняет направление 50 или 60 раз в секунду, большая часть электронов никогда не выходит из провода.

Возьмем другой пример. В почти полном вакууме внутри электронно-лучевой трубки электроны движутся почти по прямым линиям со скоростью примерно в одну десятую скорости света.

Влияние тока

Когда электрический ток течет по проводнику, есть несколько признаков, указывающих на то, что ток течет.

  • Тепло рассеивается: Возможно, наиболее очевидным является то, что тепло выделяется. Если ток небольшой, то количество выделяемого тепла, вероятно, будет очень небольшим и его можно не заметить.Однако если ток больше, возможно, выделяется заметное количество тепла. Электрический огонь - яркий пример того, как ток вызывает выделение тепла. Фактическое количество тепла зависит не только от тока, но также от напряжения и сопротивления проводника.
  • Магнитный эффект: Другой эффект, который можно заметить, заключается в том, что вокруг проводника создается магнитное поле. Если в проводнике течет ток, это можно обнаружить.Если поднести компас к проводу, по которому проходит достаточно большой постоянный ток, можно увидеть, что стрелка компаса отклоняется. Обратите внимание, что это не будет работать с сетью, потому что поле слишком быстро меняется, и игла не может реагировать, а два провода (под напряжением и нейтраль), расположенные близко друг к другу в одном кабеле, нейтрализуют поле.

    Магнитное поле, создаваемое током, находит хорошее применение во многих областях. Намотав провод в катушку, можно усилить эффект и создать электромагнит.Реле и множество других предметов используют этот эффект. Громкоговорители также используют переменный ток в катушке, чтобы вызвать колебания в диафрагме, которые позволяют преобразовывать электронные токи в звуки.

Как измерить ток

Одним из важных аспектов тока является знание величины тока, который может протекать в проводнике. Поскольку электрический ток является таким ключевым фактором в электрических и электронных схемах, очень важно знать, какой ток течет.

Есть много разных способов измерения тока. Один из самых простых - использовать мультиметр.

Как измерить ток с помощью цифрового мультиметра:

Используя цифровой мультиметр, цифровой мультиметр, легко измерить ток, поместив цифровой мультиметр непосредственно в цепь, по которой проходит ток. Цифровой мультиметр даст точные показания тока, протекающего в цепи

.

Узнайте , как измерить ток с помощью цифрового мультиметра.

Хотя существуют и другие методы измерения тока, это наиболее распространенный.

Ток - один из наиболее важных и фундаментальных элементов в электрических и электронных технологиях. Ток, протекающий в цепи, можно использовать различными способами: от генерирования тепла до переключения схем или сохранения информации в интегральной схеме.

Дополнительные основные понятия:
Напряжение ток Сопротивление Емкость Мощность Трансформеры RF шум Децибел, дБ Q, добротность
Вернуться в меню «Основные понятия».. .

.

электрического тока | Формула и определение

Электрический ток , любое движение носителей электрического заряда, таких как субатомные заряженные частицы (например, электроны с отрицательным зарядом, протоны с положительным зарядом), ионы (атомы, потерявшие или получившие один или несколько электронов), или дырки (недостаток электронов, который можно рассматривать как положительные частицы).

Подробнее по этой теме

электромагнетизм: принцип сохранения заряда

Электрический ток - это мера потока заряда, например, заряда, протекающего по проводу.Размер текущего ...

Электрический ток в проводе, носителями заряда которого являются электроны, является мерой количества заряда, проходящего через любую точку провода за единицу времени. В переменном токе движение электрических зарядов периодически меняется на противоположное; в постоянном токе это не так. Во многих контекстах направление тока в электрических цепях принимается за направление потока положительного заряда, направление, противоположное фактическому дрейфу электронов. При таком определении ток называется обычным током.

Узнайте, почему низкое сопротивление меди делает ее отличным проводником электрических токов.

Взаимосвязь между током и сопротивлением в электрической цепи.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео по этой статье

Ток обычно обозначается символом I . Закон Ома связывает ток, протекающий по проводнику, с напряжением В и сопротивлением R ; то есть В = I R .Альтернативная формулировка закона Ома: I = В / R .

Ток в газах и жидкостях обычно состоит из потока положительных ионов в одном направлении вместе с потоком отрицательных ионов в противоположном направлении. Для обработки общего эффекта тока его направление обычно принимается за направление положительного носителя заряда. Ток отрицательного заряда, движущийся в противоположном направлении, эквивалентен положительному заряду такой же величины, движущемуся в обычном направлении, и должен быть включен как вклад в общий ток.Ток в полупроводниках состоит из движения дырок в обычном направлении и электронов в противоположном направлении.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

Существуют токи многих других видов, такие как пучки протонов, позитронов или заряженных пионов и мюонов в ускорителях частиц.

Электрический ток создает сопутствующее магнитное поле, как в электромагнитах. Когда электрический ток течет во внешнем магнитном поле, он испытывает магнитную силу, как в электродвигателях.Потери тепла или энергия, рассеиваемая электрическим током в проводнике, пропорциональна квадрату тока.

Магнитное поле, создаваемое электрическим током

Магнитное поле, создаваемое небольшим отрезком провода с электрическим током i .

Предоставлено Департаментом физики и астрономии Мичиганского государственного университета

Распространенной единицей электрического тока является ампер, который определяется как поток заряда в один кулон в секунду, или 6.2 × 10 18 электронов в секунду. Единицы тока сантиметр – грамм – секунда - это электростатическая единица заряда (esu) в секунду. Один ампер равен 3 × 10 9 esu в секунду.

Коммерческие линии электропередач обеспечивают ток около 100 ампер в обычном доме; 60-ваттная лампочка потребляет около 0,5 ампер тока, а однокомнатный кондиционер - около 15 ампер. (Подробнее об электрическом токе, см. электричество: Постоянный электрический ток и электричество: Переменные электрические токи.)

.

типов, примеров, свойств, применения, использования

    • БЕСПЛАТНАЯ ЗАПИСЬ КЛАСС
    • КОНКУРСНЫЕ ЭКЗАМЕНА
      • BNAT
      • Классы
        • Класс 1-3
        • Класс 4-5
        • Класс 6-10
        • Класс 110003 CBSE
          • Книги NCERT
            • Книги NCERT для класса 5
            • Книги NCERT, класс 6
            • Книги NCERT для класса 7
            • Книги NCERT для класса 8
            • Книги NCERT для класса 9
            • Книги NCERT для класса 10
            • NCERT Книги для класса 11
            • NCERT Книги для класса 12
          • NCERT Exemplar
            • NCERT Exemplar Class 8
            • NCERT Exemplar Class 9
            • NCERT Exemplar Class 10
            • NCERT Exemplar Class 11
            • 9plar
            • RS Aggarwal
              • RS Aggarwal Решения класса 12
              • RS Aggarwal Class 11 Solutions
              • RS Aggarwal Решения класса 10
              • Решения RS Aggarwal класса 9
              • Решения RS Aggarwal класса 8
              • Решения RS Aggarwal класса 7
              • Решения RS Aggarwal класса 6
            • RD Sharma
              • RD Sharma Class 6 Решения
              • RD Sharma Class 7 Решения
              • Решения RD Sharma Class 8
              • Решения RD Sharma Class 9
              • Решения RD Sharma Class 10
              • Решения RD Sharma Class 11
              • Решения RD Sharma Class 12
            • PHYSICS
              • Механика
              • Оптика
              • Термодинамика
              • Электромагнетизм
            • ХИМИЯ
      .

      Вопросы и ответы по базовой электронике

      1) Что такое электрический потенциал?

      Потенциал конкретной точки определяется как работа, совершаемая для перемещения частицы с положительным зарядом, чтобы переместиться в эту точку в направлении, противоположном электрическому полю. Это может быть внешняя энергия, применяемая для перемещения этого положительного заряда, или может быть внутренняя потенциальная энергия положительного заряда.

      2) Что такое потенциальная разница?

      Разность потенциалов в двух точках электрического поля называется разностью потенциалов между двумя точками.Он измеряется в вольтах, т.е. V AB называется разностью потенциалов между точками A и B. Если значение V AB положительное, это показывает, что потенциал в точке A высок по сравнению с потенциалом в точке B. В этом случае будет возможность движения заряженной частицы от A к B против электрического поля между точками.

      V AB = V A - V B

      3) Что такое время прохождения электрона?

      Время, необходимое электрону, чтобы пройти от одного электрода к другому, называется временем прохождения электрона.Он обозначается как «τ».

      Где V = потенциал, приложенный к электрону

      d = Расстояние между электродами

      e = Заряд электрона

      m = масса электрона

      Примечание. Время пролета электрона уменьшается с увеличением потенциала (V).

      4) Что такое электрон-вольт (эВ)?

      Один электрон-вольт - это энергия, получаемая электроном при падении из одной точки в другую, имеющую разность потенциалов 1 вольт.Т.е. при разности потенциалов в один вольт электрон переходит от более высокого потенциала к более низкому, при этом свободном падении в электронном поле он получает энергию электрон-вольт.

      В другом случае это энергия, необходимая для перемещения электрона при разности потенциалов в один вольт. Это против электрического поля.

      1 электрон-вольт = 1,60217657 × 10 -19 джоулей

      5) Что такое напряженность электрического поля (ε)?

      Сила, испытываемая частицей с электрическим зарядом в точке под действием электрического поля, называется напряженностью электрического поля.Он обозначается как ε , а его единица измерения - В / м (Вольт / метр).


      6) Что такое потенциал ионизации?

      Энергия, необходимая для отделения слабосвязанного электрона от влияния родительского ядра, называется потенциалом ионизации.

      7) Что такое спин электрона?

      Электрон обычно вращается вокруг родительского ядра, и в дополнение к этому он также вращается вокруг себя, как Земля. Это свойство собственного углового момента электрона называется спином электрона.Когда он подвергается воздействию магнитного поля, существует только два направления спинов, то есть параллельно или антипараллельно полю.

      8) Что такое полупроводник типа N?

      Когда дополнительные валентные электроны вводятся в чистый полупроводниковый материал (кремний) путем введения или введения легирующих добавок или примесей, образуется материал N-типа. Присадки, используемые для создания материала N-типа, являются элементами Группы V в таблице материалов.

      Схема связи полупроводников N-типа

      Элементы V группы: мышьяк, сурьма, фосфор.

      В полупроводниках N-типа электроны являются основными носителями, а дырки - неосновными носителями.

      9) Что такое полупроводник P-типа?

      Когда легирующая добавка из элементов группы III из таблицы элементов вводится в чистый полупроводник, образуется полупроводник P-типа. Элементы группы III имеют только 3 валентных электрона на своей внешней орбите, которые объединены с полупроводниковым материалом (кремнием) с четырьмя валентными электронами. Это приводит к отсутствию электрона, что создает дырку (P +) или положительный заряд, который может свободно перемещаться в материале.

      Схема соединения полупроводников P-типа

      Элементы III группы: алюминий, бор, галлий.

      В полупроводниках P-типа дырки являются основными носителями, а электроны - неосновными.

      10) Что такое пассивные и активные компоненты?

      Пассивные компоненты: компоненты, которые являются пассивными по своей природе, т.е. которые могут ослаблять подаваемый входной сигнал до желаемого уровня. Это потребители энергии и не могут усилить входной сигнал.Резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности являются примерами пассивных компонентов.

      Активные компоненты: компоненты, которые играют активную роль в электронной схеме, т.е. которые могут добавлять энергию входному сигналу, называются активными компонентами. Они могут усилить сигнал до желаемого уровня. Транзисторы, операционные усилители - примеры активных компонентов.

      Что такое проводники, изоляторы и полупроводники?

      Проводники: материалы, которые пропускают поток носителей заряда с более высокой проводимостью, называются проводниками.В проводнике валентная зона и зона проводимости перекрываются без какой-либо запрещенной зоны (E G ). Электропроводность проводника обычно больше 10 3 . Примеры проводников: золото, серебро, медь и т. Д.

      Изоляторы: материалы, которые блокируют поток электронов или обладают более высоким сопротивлением потоку электронов, называются изоляторами. Энергетический зазор между валентностью и плохой проводимостью в изоляторах превышает 1 эВ. Электропроводность изолятора менее 10 -7 , а примерами изоляторов являются резина, стекло, тефлон, слюда и т. Д.

      Полупроводники: частично проводящие материалы, проводимость которых можно контролировать, называются полупроводниками. Это самые полезные материалы в электронных схемах. Энергетическая щель Eg между валентностью и плохой проводимостью полупроводников почти равна 1 эВ. Кремний и германий - лучшие образцы полупроводников.

      Каковы преимущества кремния перед германием?

      Преимущества:

      • Легко доступный в природе.
      • Стоимость невысока по сравнению с германием
      • Более высокие рабочие диапазоны температур по сравнению с германием.
      • Ширина запрещенной зоны больше, чем у зародыша
      • Менее шумный по сравнению с германием
      • Свойства материала точно контролируются
      Какие преимущества и недостатки полупроводниковых приборов перед другими?

      Преимущества:

      • Они меньше по размеру
      • Долгий срок службы по сравнению с электронными лампами.
      • Работает от низкого напряжения постоянного тока
      • Точность высокая по сравнению с электронными лампами
      • Шум меньше
      • Для полупроводников прогрев не требуется.

      Недостатки:

      • Не выдерживает большой мощности.
      • Низкий рабочий диапазон частот.
      • производит меньшую выходную мощность.
      • Точность меняется в зависимости от температуры.
      • Низкая температура окружающей среды.
      Что такое подвижность носителя заряда?

      Подвижность носителя заряда - это скорость на единицу электрического поля. Он обозначается как μ, а его единицы - m 2 / v-sec.

      Примечание. С увеличением температуры подвижность носителей заряда уменьшается из-за случайного движения носителей заряда.

      Что такое закон действия массы и закон нейтралитета?

      Закон действия массы: Он утверждает, что в собственном полупроводнике произведение свободных электронов «n» и свободных дырок «p» постоянно. Т.е.

      np = n и 2

      Закон электрической нейтральности: он гласит, что когда к полупроводнику не подается напряжение, величина плотности положительного заряда должна быть равна плотности отрицательного заряда.

      Полная плотность положительного заряда = ND + p

      Полная отрицательная плотность заряда = NA + p

      и.е.

      N D + P = N A + N

      Где N D и N A - плотности донора и акцептора.

      Что такое электрический потенциал?

      Электрический потенциал системы заряженных частиц в точке P определяется как работа, совершенная при перемещении этих зарядов из точки отсчета в точку P, деленная на общий заряд системы частиц. За точку отсчета обычно берется бесконечность или какой-то большой кусок нейтрального тела, например, земля.

      (или)

      Электрический потенциал в точке P определяется как работа, совершаемая при перемещении единичного кулоновского заряда из точки бесконечности, свободной от электрических полей, в точку P. Электрический потенциал измеряется в вольтах. Его также называют абсолютным потенциалом и обозначают буквой V. Это скалярная величина. Электрический потенциал точки зависит от выбора точки отсчета относительно которой измеряется потенциал.

      Электрический потенциал Va = W / Σq

      Что такое потенциальная разница?

      Разница потенциалов между двумя точками A и B определяется как работа, выполненная при перемещении одного кулоновского заряда из точки A в точку B.В качестве альтернативы понимается разность абсолютных потенциалов точек A и B. Обозначается V AB . Если V A и V B представляют собой электрические потенциалы в точках A и B относительно общей контрольной точки (в основном это считается заземлением, т.е. предполагается, что земля имеет нулевой потенциал), тогда разность потенциалов между точками A а B равно

      V AB = V A - V B

      Потенциальная разница между точками инвариантна w.r.t выбор точки отсчета.

      Каково время прохождения электрона между двумя электродами?

      Это время, за которое электрод переходит от одного электрода к другому. Электрон, поскольку отрицательно заряженная частица перемещается от низкого потенциала к высокому в направлении, противоположном направлению электрического поля. Предположим, что между двумя электродами имеется однородное электрическое поле E с расстоянием между ними, равным d , тогда время пролета электрона равно

      Т = (
      )

      , где m и q - масса и заряд электрона.

      Что такое электрон-вольт эВ?

      Это работа, совершаемая при перемещении электрона через разность потенциалов в один вольт. Обычно все энергии электронов указываются в электрон-вольтах для простоты и легкости анализа. Один электрон-вольт равен 1,6 * 10 -19 джоулей. Это можно вывести следующим образом: работа, совершаемая при перемещении заряженной частицы с зарядом q из точки A в точку B, потенциалы которой относительно заземление - V A и V B соответствует

      W = q * (V A - V B ), где q = 1.6 * 10 -19 кулонов и V A - V B = 1 вольт, это снижает до 1,6 * 10 -19 Дж, что по определению является электрон-вольт.

      Что такое напряженность электрического поля (ε)?

      Напряженность электрического поля в точке p в пространстве определяется как сила, действующая на частицу единичного заряда с предположением, что единичный заряд не должен возмущать само электрическое поле, но обычно это так, поскольку один кулон заряда включает 6,25 * 10 18 заряженных частиц, каждая из которых несет электронный заряд i.е. 1,6 * 10 -19 кулонов.

      Таким образом, тестовый заряд, используемый для измерения поля, должен быть как можно меньше (Примечание: самый маленький заряд стабильный заряд в природе принадлежит электрону). Следовательно, теоретически электрическое поле определяется как сила, действующая на тестовый заряд, деленная на сам тестовый заряд. как заряд стремится к нулю.

      E = F / q при q–> 0 C

      Это векторная величина, которая всегда начинается с положительного заряда и заканчивается отрицательным зарядом.

      Что такое потенциал ионизации?

      Минимальное количество энергии, необходимое для удаления электрона из изолированного атома или молекулы, называется потенциалом ионизации. Он указывается в единицах электрон-вольт. Пример для атома водорода потенциал ионизации 13,6 эВ.

      Что такое спин электрона?

      Электрон в атоме, вращаясь вокруг ядер атома, вращается вокруг себя. Спину электрона присваивается квантовое число, известное как квантовое число спина, которое может принимать значения +1/2 и -1/2 для вращения по и против часовой стрелки.

      Что такое внешний полупроводник?

      Собственные полупроводники, такие как чистый кремний и германий, характеризуются высоким удельным сопротивлением из-за низкой плотности заряда свободных носителей и т. Д. Следовательно, для увеличения проводимости добавляются трехвалентные и пятивалентные примеси. Добавленные примеси называются легирующими добавками, а процесс называется легированием. Получаемый полупроводник после легирования называется примесным полупроводником.

      Что такое полупроводник типа N?

      Если легирующая добавка, добавляемая к собственному полупроводнику, представляет собой пятивалентную примесь, такую ​​как фосфор, мышьяк, сурьма, полученный полупроводник называют проводником N-типа.Добавленные примесные атомы вытеснят некоторые из атомов кремния в кристаллической решетке. Четыре валентных электрона примеси займут ковалентные связи с кремнием; пятый электрон будет номинально свободен и может использоваться как носитель тока. Энергия, необходимая для отделения этого пятого электрона, составляет порядка 0,01 эВ для германия и 0,05 эВ для кремния.

      Альтернативно это можно понимать следующим образом: из-за замены некоторых атомов кремния пятивалентными атомами из кристалла структура энергетических зон кристаллической решетки изменяется.Следствием этого изменения является введение новых допустимых уровней энергии в зонную структуру в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости. Энергия, необходимая для возбуждения электронов, занимающих этот новый уровень энергии, в зону проводимости, составляет порядка 0,01 эВ для германия и 0,05 эВ для кремния.

      Что такое полупроводник P-типа?

      Если легирующая добавка, добавляемая к собственному полупроводнику, представляет собой трехвалентную примесь, такую ​​как бор, индий, галлий, полученный полупроводник называется проводником P-типа.Добавленные примесные атомы вытеснят некоторые из атомов кремния в кристаллической решетке. Три валентных электрона примеси будут занимать ковалентные связи с кремнием; Вакансия в четвертой связи представляет собой дырку, которая эффективно действует как носитель положительного заряда и может принимать электрон.

      Из-за замены некоторых атомов кремния на трехвалентные атомы кристалла изменяется зонная структура кристаллической решетки. Следствием этого изменения является введение новых допустимых уровней энергии в зонную структуру в запрещенной зоне, близкой к валентной зоне.Энергия, необходимая для возбуждения электронов из валентной зоны на этот новый энергетический уровень, составляет порядка 0,01 эВ для Ge и 0,05 эВ для Si, генерирующего дырки в валентной зоне.

      Что такое пассивные и активные элементы?

      Активный компонент - это компонент, который способен отдавать энергию независимо. Примерами являются источники напряжения и тока, транзисторы, операционные усилители и т. Д. Если элемент не способен отдавать энергию, он называется пассивным элементом.

      Модель Бора?

      Модель

      Бора является одной из предложенных моделей атома и смогла объяснить спектры излучения и поглощения водорода и одноэлектронных ионов, таких как He 2+ .Вот некоторые из основных постулатов атомной модели Бора:

      а) Электроны вращаются вокруг ядра атома так же, как планеты вращаются вокруг Солнца только по определенным круговым траекториям, называемым орбитами. Каждой орбите соответствует определенная энергия. Значения энергии квантуются и могут иметь только определенные значения.

      б) Пока электрон находится на этом пути, он не будет поглощать и излучать излучение, и атом будет стабильным. Следовательно, они называются стационарными орбитами. Когда электрон падает с орбиты с более высокой энергией на орбиту с более низкой энергией, разница в энергии этих орбит будет излучаться в виде излучения.


      где hxv - энергия испускаемых фотонов.

      Что такое проводник?

      Проводник - это материал, который обеспечивает меньшее сопротивление (в идеале нулевое) для прохождения тока. В проводниках даже небольшое приложенное поле генерирует большие токи. Большинство металлов являются проводниками из-за наличия слабосвязанных валентных электронов. Электропроводность - это свойство материала, которое количественно определяет, насколько хорошо материал подходит для использования в качестве проводника. Он измеряется в сименсах на метр.В идеале для идеального проводника проводимость должна быть бесконечной (как в случае сверхпроводника). Серебро - самый известный проводник с проводимостью 6,30 × 10 7 См / м при 20 ° C, на смену медь 5,96 × 10 7 См / м, которая широко используется из-за меньшей стоимости по сравнению с серебром.

      Какое влияние оказывает температура на металлы?

      В металлах валентные электроны почти не связаны и доступны как переносчики тока при комнатных температурах.2 / сек / вольт.

      Подвижность µ = Vd / E, где Vd - дрейфовая скорость электрона, а E - приложенное электрическое поле.

      Что такое эффект Холла?

      Если образец, по которому проходит ток, помещают в поперечное магнитное поле, индуцируется электрическое поле в направлении, перпендикулярном как электрическому току, так и магнитному полю. Это явление известно как эффект Холла. Давайте рассмотрим полупроводниковый стержень шириной «l» в направлении магнитного поля и шириной «d», по которому проходит однородный ток «I», движущийся в направлении X, и помещенный в однородное магнитное поле «B» в направлении Y.Предположим, что ток полупроводника состоит из потока носителей заряда, каждый из которых несет электрический заряд Q, сила Лоренца на каждом носителе заряда равна F l = Bo * Q * Vo , где Vo - скорость заряда носитель и задается формулой Vo = I / (l * d * Φ), Φ - это концентрация заряда (или) плотность заряда, сила электрического поля, создаваемого смещенным зарядом, равна F e = E * Вопрос . В состоянии равновесия эти две силы уравновешивают друг друга

      Bo * Q * Vo = E * Q

      Электрическое поле, создаваемое смещенными зарядами, равно E = V H / d , где V H - напряжение Холла . Отсюда V H = (Bo * I) / (l * Φ) , V H = (Bo * I * R H ) / l где R H - коэффициент Холла, определяемый формулой R H = (1/ Φ) .

      Каковы применения эффекта Холла?

      1. Эффект Холла используется для измерения магнитных полей (напряжение Холла, индуцированное в материале, пропорционально магнитному полю, если ток, плотность носителей и ширина остаются постоянными).

      2. Он также используется в умножителях на эффекте Холла, которые обеспечивают выходной сигнал, пропорциональный произведению двух сигналов. Если ток сделан пропорциональным одному из входов и если B линейно связан со вторым сигналом, то индуцированное напряжение Холла пропорционально двум входам.

      Почему подвижность дырок меньше, чем у электронов?

      ANS: Подвижность носителя заряда обратно пропорциональна массе носителя заряда. Поскольку дырка имеет более высокую эффективную массу по сравнению с электроном, по этой причине подвижность дырки меньше подвижности электронов.

      Связь между собственной концентрацией носителей заряда с температурой и шириной запрещенной зоны?

      Собственная концентрация в полупроводнике определяется по формуле

      Где ni - собственная концентрация, A - постоянная, не зависящая от температуры, T - абсолютная температура в Кельвинах, Ego - ширина запрещенной зоны при нулевом градусе Кельвина, K - постоянная Больцмана.

      Что такое закон о массовых действиях?

      Закон действия массы гласит, что при равновесной температуре произведение концентраций свободных дырок и электронов равно квадрату собственной концентрации при этой температуре.

      Нет * Po = Ni ²,

      , где - концентрация электронов в зоне проводимости легированного полупроводника, Po - концентрация дырок в валентной зоне, Ni - собственная концентрация носителей.

      Объясните электрическую нейтральность на основе закона сохранения заряда?

      Закон сохранения заряда гласит, что электрический заряд не может быть ни создан, ни разрушен, полный заряд всегда сохраняется.Соответственно, в полупроводнике N-типа плотность свободных электронов будет увеличиваться из-за избыточных носителей заряда, переданных в зону проводимости легирующей примесью. После передачи избыточного электрона атомы примеси будут заряжены положительно (аналогично после принятия электрона от акцептора валентной зоны примесь будет заряжена отрицательно). Очевидно, что положительный заряд атома примеси точно уравновешивает избыточный заряд электрона от отрицательного донора. Это называется электрической нейтральностью.

      Какие бывают виды фотовозбуждения?

      Может быть два типа фотовозбуждений: а) собственные возбуждения б) внешние возбуждения

      Собственные возбуждения возникают, когда электрон в валентной зоне возбуждается фотоном высокой энергии в зону проводимости.В качестве альтернативы фотон может возбудить электрон на донорном уровне в зону проводимости, или электрон валентной зоны может перейти в акцепторное состояние. Такие возбуждения называются внешними.

      Что такое закон Ома?

      ANS: Закон Ома гласит, что в проводнике плотность тока прямо пропорциональна приложенному электрическому полю, т. Е. Дж α E , где J - ток, определяемый как отношение тока к площади поперечного сечения, через которую протекает ток, а E - приложено электрическое поле.Константа пропорциональности называется проводимостью.

      Следовательно, закон Ома определяется как Дж = σ * E.

      Что такое функция Ферми Дирака?

      Функция Ферми-Дирака дает вероятность того, что уровень энергии "E" будет занят электроном. Выдается

      Где K - постоянная Больцмана, E - энергия состояния в электрон-вольтах, Ef - уровень Ферми, а T - абсолютная температура в Кельвинах .

      Что такое уровень Ферми?

      Уровень Ферми - это максимальная энергия, которой может обладать любой электрон при абсолютном нуле (или) он представляет собой энергетическое состояние с 50-процентной вероятностью заполнения, если запрещенной зоны не существует.Последние утверждения можно объяснить следующим образом: при T = 0 K, если E> Ef, то (E- Ef) / (KT) стремится к положительной бесконечности, стремится к 0 или максимальной энергии, которой может обладать любой электрон при абсолютном нуле, тогда (E- Ef) / (KT) стремится к отрицательной бесконечности, стремится к 1. Следовательно, максимальная энергия, которой может обладать любой электрон при абсолютном нуле, - это уровень Ферми.

      Теперь предположим некоторую произвольную температуру T выше 0 Кельвина E = Ef then = (1/2), 50-процентная вероятность заполнения, если не существует запрещенной щели.

      Уравнения проводимости в металле и полупроводниках?

      Металлы проводят ток посредством электронов, тогда как полупроводники проводят ток через две заряженные частицы противоположного знака, одна из которых является электроном (отрицательный заряд), а другая - дыркой (положительный заряд). Таким образом, уравнения для проводимости металлов и полупроводников равны

      Металлы

      В полупроводниках

      Где n - концентрация электронов, p - концентрация дырок, Q - заряд электрона = 1.(-19), µn - подвижность электронов, µp - подвижность дырок.

      Что такое скорость дрейфа?

      В металле, когда между его концами приложено напряжение, электроны ускоряются приложенным напряжением, в то время как ускоряющиеся электроны испытывают неупругие столкновения с ионами. При каждом столкновении электрон теряет энергию, и достигается стационарное состояние, при котором достигается конечная скорость, известная как скорость дрейфа.

      Какова зависимость подвижности от температуры?

      ANS: При повышении температуры сначала подвижность увеличивается как T ^ 1.-1,5, когда рассеяние на решетке преобладает над примесным рассеянием.

      Прямой и непрямой запрещенный полупроводник?

      ANS: В полупроводниках с прямой запрещенной зоной самый высокий уровень энергии в валентной зоне и самый низкий уровень энергии в зоне проводимости имеют одинаковый импульс или волновое число. После прямой рекомбинации электрона с дыркой в ​​валентной зоне энергия выпущенного фотона будет в точности равна разнице в энергии самого низкого энергетического уровня в зоне проводимости и самого высокого энергетического уровня в валентной зоне.

      Примечание: Импульс и направление электронов останутся прежними.

      В полупроводниках с прямой запрещенной зоной самый высокий уровень энергии в валентной зоне и самый низкий уровень энергии в зоне проводимости не имеют одного и того же импульса или волнового числа. Поскольку импульс должен сохраняться, фонон, который является квантом энергии колебаний, должен существовать, чтобы способствовать рекомбинации, поэтому такая рекомбинация электрона с дыркой называется косвенной рекомбинацией. После непрямой рекомбинации электрона с дыркой в ​​валентной зоне энергия выпущенного фотона будет меньше (или) высокой по сравнению с разницей в энергии самого низкого энергетического уровня в зоне проводимости и самого высокого энергетического уровня в валентной зоне.Это происходит из-за того, что часть энергии получается от фонона (или) теряется в фонон в процессе рекомбинации.

      Примечание: Импульс и направление электрона меняются после рекомбинации.

      Полупроводники с прямой и непрямой запрещенной зоной

      Что такое изменение подвижности с электрическим полем?

      При меньших электрических полях подвижность постоянна. В более высоких электрических полях подвижность обратно пропорциональна электрическому полю. В таких более высоких полях скорость носителей заряда будет постоянной и будет порядка 2 * 10 ^ 5 м / с.Между этими двумя фазами существует переходный период, когда подвижность изменяется обратно пропорционально квадратному корню из электрического поля.

      Диаграмма собственной полосы Диаграммы внешней полосы?

      Зонная диаграмма собственных полупроводников

      Зонные диаграммы полупроводника N-типа

      Зонные диаграммы полупроводника P-типа

      Сравнение кремния и германия?

      Почему кремний предпочтительнее германия в электронных устройствах?

      Кремний предпочтительнее германия по следующим причинам:

      • Кремний в изобилии доступен дешево.
      • Электрические свойства германия более чувствительны к температуре, чем кремния. Точный контроль проводящих свойств германия затруднен по сравнению с кремнием
      • Кремний имеет более широкую запрещенную зону, чем германий.
      • Кремний - стабильный и прочный материал.

      Как возникают полосы в полупроводнике?

      В кристалле обнаружено изменение электронных энергетических уровней атомов. На межатомных расстояниях внутренние электрические оболочки не будут сильно затронуты, но внешние энергетические уровни значительно изменятся.Внешние оболочки всех атомов расширяются и образуют большое количество дискретных, но близко расположенных энергетических уровней, называемых энергетическими зонами. В кремнии энергетическая зона делится на две: одна - валентная зона, а другая - зона проводимости.

      Как можно экспериментально различить SC типа P и полупроводник N-типа?

      Если полупроводниковый материал относится к N-типу, то носителями будут электроны, которые вытесняются в сторону 2 силой Лоренца, создаваемой магнитным полем B.Следовательно, индуцированное напряжение Холла на стороне 2, измеренное относительно 1 (противоположной стороне 2), будет отрицательным (напомним, что электроны являются носителями отрицательного заряда).

      Если полупроводниковый материал P-типа, то носителями будут дырки, которые будут вытеснены в сторону 2 силой Лоренца, создаваемой магнитным полем B (при условии, что ток идет в том же направлении, что и электроны, обычный ток будет направление, противоположное потоку электронов).Следовательно, индуцированное напряжение Холла на стороне 21, измеренное относительно 1 (противоположная грань 2), будет положительным (напомним, что дырки являются носителями положительного заряда).

      Что такое фотоэлектрический эффект?

      Когда свет падает на металл, электроны излучаются с поверхности металла. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом . Энергия падающих фотонов (свет состоит из крошечных частиц без массы, называемых фотонами, которые несут энергию h * v , где h - постоянная Планка, а v - частота света) должна быть, по крайней мере, равна работе выхода (характеристика свойство металла).Если падающий на металл фотон имеет энергию, большую, чем работа выхода металла, дополнительная энергия проявляется как кинетическая энергия выброшенного электрона. Соответственно можно написать

      h * v = W f + K.E

      Где W f - работа выхода металла, K.E - кинетическая энергия выброшенного электрона.

      Что такое цветение?

      Некоторые вещества после поглощения некоторой формы падающего электромагнитного излучения выделяют поглощенную энергию частями.Испускаемое излучение будет иметь меньшую энергию или частоту по сравнению с падающим излучением. Это называется флуоресценцией.

      Что такое движение заряженной частицы в электрическом и магнитном поле?

      В одном только электростатическом поле электрон движется по прямой. Электрон движется в направлении, противоположном направлению электрического поля.

      Если электрон входит только в магнитостатическое поле с ненулевой скоростью, электрон движется по круговой траектории.Движение электрона будет происходить в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля.

      Если электрон входит в комбинированное электрическое и магнитное поле с ненулевой скоростью, электрон движется по спиральной траектории, участок которой изменяется со временем.

      Движение электрона в комбинированном электрическом и магнитном полях

      Что такое термистор и сенсор?

      В полупроводниках с повышением температуры увеличивается проводимость, то есть они могут иметь положительный температурный коэффициент проводимости, это свойство находит применение в устройствах управления, например, в тепловом реле.t.c. Такой полупроводник называется термистором.

      Сенсистор - это сильно легированный полупроводник с положительным температурным коэффициентом сопротивления.

      Что такое фотоионизация?

      Когда свет падает на атом, он выбрасывает из него один или несколько электронов (в зависимости от энергии фотонов), образуя ионы. Этот процесс называется фотоионизацией. Фотоионизация и фотоэлектрические эффекты - это один и тот же процесс, который, по сути, включает взаимодействие вещества с электромагнитным излучением.Термин фотоионизация используется в отношении изолированных или невзаимодействующих атомов, тогда как фотоэлектрический эффект используется в отношении металлов.

      .

      Смотрите также