Как изменяется электрическое сопротивление металлов и полупроводников


Зависимость сопротивления проводника от температуры

  

Практически в электротехнике выло выявлено, что с увеличением температуры сопротивление проводников из металла возрастает, а с понижением уменьшается. Для всех проводников из металла это изменение сопротивления почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1°С.

Если быть точным, то на самом деле при изменении температуры проводника изменяется его удельное сопротивление, которое имеет следующую зависимость:

 

где ρ и ρ0, R и R0 - соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при температурах t и 0°С (шкала Цельсия), α - температурный коэффициент сопротивления, [α] = град -1.

Изменение удельного сопротивления проводника приводит к изменения самого сопротивления, что видно из следующего выражения:

 

Зная электронную теорию строения вещества можно дать следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры. При увеличении температуры проводник получает тепловую энергию, которая несомненно передается всем атомам вещества, в результате чего .возрастает их тепловое движение. Увеличившееся тепловое движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов (увеличивается вероятность столкновения свободных электронов с атомами), от этого и возрастает сопротивление проводника.

 С понижением температуры направленное движение электронов облегчается (уменьшается возможность столкновения свободных электронов с атомами), и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление — сверхпроводимость металлов. Сверхпроводимость, т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре —273° С, называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.

График звисимости сопротивления металлического проводника от температуры представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. График зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры

 

Необходимо сказать, что сопротивление электролитов и полупроводников (уголь, селен и другие) с увеличением температуры уменьшается.

Температурная зависимость сопротивления электролита объясняется также в основном изменением удельного сопротивления,однако всегда температурный коэффициент сопротивления - α <0.

 

Поэтому кривая зависимости сопротивленя электролита от температуры имеет вид, представленый на рисунке 2.

 

Рисунок 1. График зависимости удельного сопротивления электролита от температуры

 Ддя полупроводников характер изменения удельного сопротивления от температуры будет схож с таковым для элетролитов.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

Введение в неорганическую химию / электронные свойства материалов: сверхпроводники и полупроводники

Из Wikibooks, открытые книги для открытого мира

Перейти к навигации Перейти к поиску
Ищите Введение в неорганическую химию / электронные свойства материалов: сверхпроводники и полупроводники в одном из родственных проектов Викиучебника: Викиучебник не имеет страницы с таким точным названием.

Другие причины, по которым это сообщение может отображаться:

  • Если страница была создана здесь недавно, она может быть еще не видна из-за задержки обновления базы данных; подождите несколько минут и попробуйте функцию очистки.
  • Заголовки в Викиучебниках чувствительны к регистру , кроме первого символа; пожалуйста, проверьте альтернативные заглавные буквы и подумайте о добавлении перенаправления здесь к правильному заголовку.
  • Если страница была удалена, проверьте журнал удалений и просмотрите политику удаления.
.

электричества | Определение, факты и типы

Электростатика - это исследование электромагнитных явлений, которые происходят, когда нет движущихся зарядов, то есть после установления статического равновесия. Заряды быстро достигают положения равновесия, потому что электрическая сила чрезвычайно велика. Математические методы электростатики позволяют рассчитывать распределения электрического поля и электрического потенциала по известной конфигурации зарядов, проводников и изоляторов.И наоборот, имея набор проводников с известными потенциалами, можно рассчитать электрические поля в областях между проводниками и определить распределение заряда на поверхности проводников. Электрическую энергию набора зарядов в состоянии покоя можно рассматривать с точки зрения работы, необходимой для сборки зарядов; в качестве альтернативы, можно также считать, что энергия находится в электрическом поле, создаваемом этой сборкой зарядов. Наконец, энергия может храниться в конденсаторе; энергия, необходимая для зарядки такого устройства, хранится в нем как электростатическая энергия электрического поля.

Изучите, что происходит с электронами двух нейтральных объектов, тренных друг о друга в сухой среде.

Объяснение статического электричества и его проявлений в повседневной жизни.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статье

Статическое электричество - это знакомое электрическое явление, при котором заряженные частицы передаются от одного тела к другому. Например, если два предмета трутся друг о друга, особенно если они являются изоляторами, а окружающий воздух сухой, предметы приобретают одинаковые и противоположные заряды, и между ними возникает сила притяжения.Объект, теряющий электроны, становится заряженным положительно, а другой - отрицательно. Сила - это просто притяжение между зарядами противоположного знака. Свойства этой силы описаны выше; они включены в математическое соотношение, известное как закон Кулона. Электрическая сила, действующая на заряд Q 1 в этих условиях, вызванная зарядом Q 2 на расстоянии r , задается законом Кулона,

Жирным шрифтом в уравнении обозначается вектор характер силы, а единичный вектор - это вектор, который имеет размер один и указывает от заряда Q 2 до заряда Q 1 .Константа пропорциональности k равна 10 −7 c 2 , где c - скорость света в вакууме; k имеет числовое значение 8,99 × 10 9 ньютонов на квадратный метр на квадратный кулон (Нм 2 / C 2 ). На рисунке 1 показано усилие на Q 1 , создаваемое Q 2 . Числовой пример поможет проиллюстрировать эту силу. И Q 1 и Q 2 выбраны произвольно как положительные заряды, каждый с величиной 10 −6 кулонов.Заряд Q 1 расположен в координатах x , y , z со значениями 0,03, 0, 0 соответственно, а Q 2 имеет координаты 0, 0,04, 0. Все координаты указаны в метрах. Таким образом, расстояние между Q 1 и Q 2 составляет 0,05 метра.

электрическая сила между двумя зарядами

Рисунок 1: Электрическая сила между двумя зарядами.

Предоставлено Департаментом физики и астрономии Мичиганского государственного университета Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской.Подпишитесь сегодня

Величина силы F на заряде Q 1 , рассчитанная по уравнению (1), составляет 3,6 ньютона; его направление показано на рисунке 1. Сила на Q 2 , обусловленная Q 1 , составляет - F , что также имеет величину 3,6 ньютона; его направление, однако, противоположно направлению F . Сила F может быть выражена через ее составляющие по осям x и y , поскольку вектор силы лежит в плоскости x y .Это делается с помощью элементарной тригонометрии из геометрии рисунка 1, и результаты показаны на рисунке 2. Таким образом, в ньютонах. Закон Кулона математически описывает свойства электрической силы между зарядами в состоянии покоя. Если заряды имеют противоположные знаки, сила будет притягивающей; притяжение будет обозначено в уравнении (1) отрицательным коэффициентом единичного вектора r̂. Таким образом, электрическая сила на Q 1 будет иметь направление, противоположное единичному вектору , и будет указывать от Q 1 к Q 2 .В декартовых координатах это привело бы к изменению знаков компонентов силы x и y в уравнении (2).

компоненты кулоновской силы

Рисунок 2: Компоненты x и y силы F на рисунке 4 (см. Текст).

Предоставлено Департаментом физики и астрономии Мичиганского государственного университета

Как можно понять эту электрическую силу на Q 1 ? По сути, сила возникает из-за наличия электрического поля в позиции Q 1 .Поле создается вторым зарядом Q 2 и имеет величину, пропорциональную размеру Q 2 . При взаимодействии с этим полем первый заряд на некотором расстоянии либо притягивается, либо отталкивается от второго заряда, в зависимости от знака первого заряда.

.

Контакты металл-полупроводник - Engineering LibreTexts

Контакт металл-полупроводник (МС) является важным компонентом в работе большинства полупроводниковых устройств в твердом состоянии. Как следует из названия, МС-переход состоит в том, что металл и полупроводниковый материал тесно контактируют. В основном, есть два типа контактов MS, которые широко используются в полупроводниковых устройствах:

  1. Выпрямительные диоды Шоттки
  2. Непрямительный омический контакт

Введение

Принцип формирования различных типов контакта металл-полупроводник заключается в несоответствии энергии Ферми между металлом и полупроводниковым материалом, которое происходит из-за разницы в работе выхода.На рис. 1 показана диаграмма энергетических зон после установления контакта. Как показано на рисунке 1, уровень вакуума \ (E_0 \), минимальная энергия, необходимая для высвобождения электрона из материала, используется для выравнивания металла и полупроводника вместе. Работа выхода \ (\ Phi \) определяется как разность энергий между энергией Ферми и уровнем вакуума. Сродство к электрону \ (\ chi \) определяется как энергия, необходимая для перемещения электрона с уровня вакуума в зону проводимости:

\ [\ chi = (E_0 - E_c) _ {FB} | _ {\ text {surface}}.\]

Когда металл и полупроводник соединяются, мгновенно образуется идеальный МС-контакт. Если во время процесса контактирования движение электронов не происходит, зонная диаграмма контакта будет такой, как на рисунке 1, где наблюдается несоответствие энергии Ферми (\ (E_ {FM}) \) в металле и энергии Ферми в металле. полупроводник (\ (E_F) \). Для идеального контакта с MS сделано несколько предположений:

  1. Металл и полупроводник находятся в тесном контакте, что означает отсутствие оксидных или заряженных слоев между контактом в атомном масштабе.
  2. Отсутствие перемешивания и взаимной диффузии между металлом и полупроводником.
  3. На интерфейсе МС нет примесей.
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): диаграмма энергетического диапазона для идеальных контактов MS в момент после контакта для: (a) \ (\ Phi_M> \ Phi_S \) и (b) \ (\ Phi_M <\ Phi_S \) .

Сродство к электрону \ (\ chi \) и работа выхода металла \ (\ Phi_M \) - это инвариантные фундаментальные свойства, на которые не влияет процесс контактирования.Однако работа полупроводников связана с сродством к электрону, зоной проводимости и энергией Ферми:

\ [\ Phi_S = \ chi + (E_c - E_F) _ {FB} \ label {1} ​​\]

где

\ [\ chi = (E_0 -E_F) \ label {2} \]

Однако ситуации на Рисунке 1 не находятся в состоянии равновесия, так как энергия Ферми в металле не совпадает с энергией Ферми в полупроводнике (\ (E_ {FS} \ neq E_ {FM} \)). Следовательно, электроны будут продолжать перемещаться между полупроводником и металлом до тех пор, пока \ (E_F \) не выровняется, что вызовет образование обедненной области между контактом MS.При различных характеристиках интерфейса металл-полупроводник будут сформированы два типа МС-контакта: выпрямляющий барьерный контакт Шоттки и омический контакт.

Контакт с барьером Шоттки

Контакт с барьером Шоттки относится к контакту MS, имеющему большую высоту потенциального барьера, образованного, когда энергии Ферми металла и полупроводника совмещены. Высота барьера \ (\ Phi_B \) определяется как разность энергий между краем зоны с основными носителями и энергией Ферми металла.Поскольку барьеры Шоттки могут привести к выпрямительным характеристикам, он обычно используется в качестве диода, который представляет собой одиночный переход МС с выпрямительными характеристиками. Полупроводники как n-типа, так и p-типа могут образовывать контакт Шоттки, такие как силицид титана и силицид платины.

В условиях равновесия (приложенное смещение V = 0)

Рассмотрим случай \ (\ Phi_M> \ Phi_S \), электроны будут переходить от полупроводника к металлу из-за своей большей энергии, пока не будет установлено условие равновесия.Чистая потеря электронов создает отрицательный заряд в металле и положительный заряд в полупроводнике, что приводит к обеднению и росту барьера на поверхности полупроводника. В результате равновесная зонная структура для металла и полупроводника n-типа показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Плоский b и диаграмма контакта МС в условиях равновесия

Поверхностный барьер потенциальной энергии \ (\ Phi_B \), основная характеристика барьера Шоттки, характеризуется высотой барьера Шоттки, которая является функцией металла и полупроводника:

\ [\ Phi_B = \ Phi_M - \ chi, \ quad \ text {для полупроводников n-типа} \ label {3} \]

\ [\ Phi_B = {E_g \ over q} + \ chi - \ Phi_M, \ quad \ text {для полупроводника p-типа} \ label {4} \]

Барьер имеет высокое сопротивление даже при небольшом приложенном напряжении.Поскольку высота потенциального барьера может регулироваться смещением напряжения, которое оказывает значительное влияние на электрический ток, протекающий через барьер, представляет интерес влияние прямого смещения и обратного смещения.

Эффект смещения

Рассмотрим контакт \ (\ Phi_M> \ Phi_S \) MS, ток \ (I \) будет сформирован, если есть приложенное смещение \ (V_A \) на металле, и полупроводник подключен для заземления. (Рисунок 3) Ток считается положительным, когда он течет от металла к полупроводнику.

Рисунок 3. Контакт МС с приложенным постоянным током. смещение

Прямое смещение

При прямом смещении (\ (V_A> 0 \)) работа MS-перехода проиллюстрирована на рисунке 4. Энергия Ферми металла становится ниже, чем энергия Ферми в полупроводнике \ (E_F \), что приводит к уменьшению потенциального барьера \ (\ Phi_B \) через полупроводник. Следовательно, электронам будет намного легче проходить через барьер, что значительно облегчает диффузию электронов из полупроводника в металл.Следовательно, по мере увеличения \ (V_A \) ток будет быстро увеличиваться, поскольку большее количество электронов сможет преодолеть поверхностный барьер, не возвращаясь назад, что соответствует противоположному направлению тока. Электронов, диффундирующих из полупроводника к металлу, будет больше, чем электронов, дрейфующих в полупроводник, через МС-переход будет генерироваться положительный ток.

Рис. 4. Диаграмма энергетического диапазона и активность несущей при прямом смещении (\ (V_A> 0 \))

Обратное смещение

При отрицательном смещении, приложенном к металлу (\ (V_A <0 \)), работа MS-перехода показана на рисунке 5.Энергия Ферми металла становится выше, чем энергия Ферми в полупроводнике, что приводит к увеличению барьерного потенциала на МС-переходе. Большой барьер блокирует диффузию электронов из полупроводника в металл. При небольшом обратном смещении только небольшое количество электронов в металле может преодолеть потенциальный барьер. Следовательно, ток \ (I \) станет небольшой постоянной при обратном смещении, которое характеризуется как выпрямляющее поведение.

Рисунок 5.{qV_A / kT} -1), \ quad \ text {where} \) \ (I_0 \) - ток насыщения \ (\ label {5} \)

При прямом смещении (\ (V_A> 0 \)), когда прямое смещение превышает несколько \ (kT / q \) вольт, в токе будет преобладать экспоненциальный член. Для обратного смещения (\ (V_A <0 \)), когда обратное смещение больше нескольких \ (kT / q \) вольт, экспоненциальным членом пренебрегают, что приводит к небольшому току насыщения: \ (I = - I_0 \). Характеристики \ (IV \) показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Схема \ (IV \) характеристики диодов Шоттки

Омический контакт

Не все контакты MS могут работать как выпрямительный диод Шоттки, так как не образуется потенциальный барьер. В этой ситуации, когда ток может проходить в обоих направлениях контакта MS, контакт определяется как омический контакт. Идеальный омический контакт - это низкое сопротивление, а между границей раздела металл-полупроводник существует не выпрямляющий переход без потенциала.Рассмотрим случай на рисунке 1 (b), контакт МС с \ (\ Phi_M <\ Phi_S \), электроны будут переходить от металла к полупроводнику из-за их низкой энергии, что приведет к перемещению уровня Ферми в полупроводнике вверх до тех пор, пока состояние равновесия устанавливается. Зонная диаграмма в состоянии равновесия показана на рисунке 7 (а).

(а) (б)

Рис. 7. (a) Диаграмма энергетических зон в состоянии равновесия для \ (\ Phi_M <\ Phi_S \) и (b) Схематическая \ (IV \) характеристики омического контакта

Поскольку не существует барьерной структуры для потока электронов от полупроводника к металлу, даже очень небольшое напряжение прямого смещения (\ (V_A> 0 \)) приведет к увеличению тока прямого смещения.Когда прикладывается напряжение обратного смещения, для потока электронов от металла к полупроводнику образуется небольшой потенциальный барьер. Однако небольшой барьер в конечном итоге исчезнет, ​​когда напряжение обратного смещения станет больше. Следовательно, существует большой обратный ток, когда \ (V <0 \). Характеристика \ (I-V \) показана на рисунке 7 (b).

В отличие от выпрямляющего контакта Шоттки, омический контакт ведет себя по линейной кривой \ (I-V \), которая соответствует закону Ома как в прямом, так и в обратном смещении.

Заключение

В целом, для металла и полупроводника n-типа выпрямительный контакт Шоттки образуется, когда \ (\ Phi_M> \ Phi_S \), а омический контакт формируется, когда \ (\ Phi_M <\ Phi_S \). Аналогичным образом, для металла и полупроводника p-типа, контакт MS будет выпрямлять Шоттки, когда \ (\ Phi_M <\ Phi_S \), и омический контакт, когда \ (\ Phi_M> \ Phi_S \). Обобщение типов контактов приведено в таблице 1.

Таблица 1. Электрическая природа контактов MS
Полупроводник n-типа Полупроводник p-типа
\ (\ Phi_M> \ Phi_S \) Выпрямительный омическое
\ (\ Phi_M <\ Phi_S \) омическая Выпрямительный

Вопросы

1.Покажите диаграмму равновесных энергетических зон для металла и полупроводника p-типа, где (a) \ (\ Phi_M <\ Phi_S \) и (b) \ (\ Phi_M <\ Phi_S \)
2. Найдите выражение для барьера высота \ (\ Phi_B \) выпрямительного контакта p-типа

3. Когда контакт MS формируется для \ (\ Phi_M = \ chi \), при каких условиях контакт будет вести себя как омический контакт, и при каких условиях контакт будет вести себя как выпрямляющий?

ответы

1. (a) Для металла и полупроводников p-типа диаграммы зон равновесия показаны ниже:

2.Поскольку \ (\ quad E_c - E_ {FM} = \ Phi_M - \ chi \), отсюда следует, что

\ (\ Phi_B = E_ {FM} - E_ {v (interface)} = (E_c -E_v) - (E_ {c (interface)} = E_ {FM} \).

Следовательно, \ (\ Phi_B = E_G + \ chi - \ Phi_M \ quad \ text {для идеального контакта MS p-типа} \)

3. Если \ (\ Phi_M = \ chi \) в идеальном МС-контакте, формирование типов контактов не будет зависеть от типа легирования полупроводника.

Список литературы

1. Роберт Ф. Пьер, Основы полупроводниковых устройств, второе издание.Глава 14, страницы 477-491.

2. John Wiley & Sons, Sze, S.M., Physics of Semiconductor Devices

Авторы и авторство

  • Шерри Куй (Калифорнийский университет в Дэвисе, материаловедение и инженерия)
.

проводников, изоляторов и потока электронов | Основные понятия электричества

  • Сетевые сайты:
    • Последний
    • Новости
    • Технические статьи
    • Последний
    • Проектов
    • Образование
    • Последний
    • Новости
    • Технические статьи
    • Обзор рынка
    • Образование
    • Последний
    • Новости
    • Мнение
    • Интервью
    • Особенности продукта
    • Исследования
    • Форумы
  • Авторизоваться
  • Присоединиться
    • Авторизоваться
    • Присоединиться к AAC
    • Или войдите с помощью

      • Facebook
      • Google

0:00 / 0:00

  • Подкаст
  • Самый последний
  • Подписывайся
    • Google
    • Spotify
.

Смотрите также