Класифікація речовин за провідністю

ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У НАПІВПРОВІДНИКАХ.

ОСНОВИ ЕЛЕКТРОНІКИ

Контрольні запитання

1 Асинхронні машини.

2 Призначення і будова асинхронних машин.

3 Робота трифазної асинхронної машини в режимі двигуна.

4 Асинхронні виконавчі двигуни і тахогенератори.

5 Призначення і будова синхронних машин.

6 Робота трифазної синхронної машини в режимі генератора.

7 Призначення і будова машини постійного струму.

В електротехніці та радіоелектроніці використовують різноманітні речовини із широким спектром теплофізичних, механічних та електротехнічних параметрів і характеристик. Визначаючи доцільність використання речовин для побудови електронних приладів, найважливішою її властивістю вважають електропровідність.

Функціонування всіх радіоелектронних пристроїв від елементарних вузлів до найскладніших сучасних суперсистем ґрунтується на керуванні провідністю. Саме цей процес забезпечує передачу інформаційних сигналів або їх відсутність, керування потужністю від зовнішнього джерела живлення в навантаження, ввімкнення і вимкнення систем зворотного зв'язку тощо. Тому дослідження вчених та інженерів у процесі розвитку і становлення напівпровідникової електроніки були спрямовані на пошук матеріалів, відкриття фізичних явищ, створення різних контактів, що дозволило створити прилади для майже безінерційного керування провідністю.

За провідністю речовини поділяють на провідники, діелектрики та напівпровідники. Вони відрізняються кількістю вільних носіїв заряду - електронів у зоні провідності. Сучасна фізика стверджує, що електрони у твердому тілі не можуть мати довільну енергію і розташовуються на відповідних енергетичних рівнях.

Електрони, розташовані ближче до ядра атома, мають меншу енергію, тобто знаходяться на нижчих енергетичних рівнях. Щоб віддалити електрон від ядра, треба подолати їх взаємне тяжіння, тобто витратити деяку енергію.

Під час переходу електрона з вищого енергетичного рівня на нижчий виділяється деяка кількість енергії, названа квантом або фотоном. Якщо атом поглинає один квант енергії, то електрон переходить з нижчого енергетичного рівня на вищий. Згідно із зонною теорією твердого тіла енергетичні рівні об'єднуються у дозволені зони. Верхня дозволена зона, яка при температурі абсолютного нуля (Т = ОК) повністю заповнена електронами, називається валентною. Наступна дозволена зона (надвалентна), яка при температурі абсолютного нуля порожня або частково заповнена електронами, називається зоною провідності. В електричних та хімічних процесах беруть участь валентні електрони (електрони валентної зони). Вони заповнюють ряд енергетичних рівнів зовнішньої оболонки атома.

Нижчі енергетичні рівні входять до складу інших зон, заповнених електронами, але ці зони не впливають на явища електропровідності (далі не розглядаються).

У металах і напівпровідниках є велика кількість електронів, які знаходяться вище від валентної зони на вищих енергетичних рівнях. Ці рівні створюють зону провідності. Електрони цієї зони називають електронами провідності. Вони здійснюють безладний хаотичний рух, переходять від одних атомів до інших. Саме електрони провідності забезпечують високу електропровідність металів. При кімнатній температурі (Т=300 К) питома електрична провідність провідників досягає значення (10⁴...10⁶ ) См/см (1 См/см - провідність 1 см³ речовини). Розподіл електронів за рівнями енергії схематично показано на рис. 7.1. Горизонтальними лініями зображено рівні енергії електронів. У квантовій механіці доведено, що енергетичні стани електронів провідності утворюють цілу зону значень (рівнів) енергії - зону провідності.

Мінімальний рівень енергії електрона (дно) зони провідності позначимо через W_С. Енергетичні стани валентних електронів також утворюють зону рівнів - валентну зону. Максимальний рівень енергії (стелю) цієї зони позначимо через W_v.

Енергія електронів

W W W

Зона провідності Зона Генерація провідностіW_с Заборонена ΔWзонаΔW Валентна зонаW_v Рекомбінація Валентна зона

а) б) в)

Рис. 7.1 - Схеми рівнів енергії:

а) - у металах; б) - у діелектриках; в) - у власних напівпровідниках. У

металах зона провідності безпосередньо прилягає до валентної зони(7.1, а). Тому при нормальній температурі у металах кількість электронів має енергію, достатню для переходу з валентної зони в зону провідності. Практично кожен атом металу віддає у зону провідності хоча б один електрон. Отже, число електронів провідності у металах не менше, ніж число атомів (5-10²² вільних електронів у 1 см³).

Такі метали, як мідь, олово та алюміній (добрі провідники електричного струму) складаються з атомів речовини, зв'язаних між собою силами взаємодії, у правильну геометричну структуру або кристалічні ґрати. Зв'язки діють таким чином, що зовнішні або валентні електрони кожного атома вивільняються і одержують можливість рухатись у структурі під дією прикладеного електричного поля. Решта електронів та ядра залишаються фіксованими в певних місцях кристалічних ґрат.

Кожний атом є електрично нейтральним, тому вся структура також буде електрично нейтральною. Якщо один із валентних електронів відокремлюється від атома, то решту електронів та ядро, зв'язаних з кристалічними ґратами, можна зобразити як нерухомий позитивний іон, заряд якого дорівнює заряду відокремленого валентного електрона і протилежний йому. Оскільки зв'язані позитивні іони рівномірно розподілені по структурі кристала, то і рухомі електрони теж повинні бути розподілені рівномірно: якби в якійсь області не виявилося вільних електронів, залишковий позитивний потенціал притягнув би в цю область необхідну для відновлення електронейтральності кількість рухомих електронів. Отже, маємо таку модель електронного «газу» в металах: однорідне розташування зв'язаних позитивно заряджених іонів, оточених однорідним «газом» рухомих електронів. Уважається, що кожний атом віддає один вільний електрон «газу» рухомих електронів.

Отже, незважаючи на те, що позитивні іони в металах відіграють важливу роль у підтримці електронейтральності, в процесі провідності вони не беруть участі, тому що вони є нерухомими. У металах струм переносить рухомі носії одного типу - вільні електрони. Щільність вільних електронів, здатних брати участь у процесі провідності, залежить перш за все від числа валентних електронів в атомі металу. Тому для того чи іншого металу густина заряду фіксована.

Зовсім інша структура енергетичних зон діелектриків (рис. 7.1, б) і напівпровідників (рис. 7.1, в). У них між зоною провідності та валентною зоною знаходиться заборонена зона. Вона об'єднує однакові енергії, на яких електрони не можуть знаходитися. Ширина забороненої зони DW, тобто різниця між енергією електронів нижнього рівня зони провідності W_c і верхнього рівня валентної зони W_vскладає декілька електрон-вольтів (еВ). При нормальній температурі у зоні провідності діелектриків знаходиться мало електронів. Тому діелектрики мають дуже малу провідність. Але з нагріванням деякі електрони валентної зони, отримуючи додаткову енергію, переходять у зону провідності, і тоді діелектрики одержують помітну провідність. Якщо Т = 300 К, їх питома електропровідність менша за 10^-10 См/см.

Але перехід електронів у зону провідності не може відбуватися шляхом поступового накопичення та наростання енергії. Для цього необхідне джерело, яке б могло зразу передати енергію, що дорівнює або перевищує ширину забороненої зони:

У напівпровідників зонна діаграма подібна до діелектриків (рис.1в), лише ширина забороненої зони DW менша, і в більшості випадків складає близько одного електрон - вольта. Тому при низьких температурах напівпровідники є діелектриками. При нормальній температурі значна кількість електронів переходить з валентної зони у зону провідності, що забезпечує збільшення питомої електропровідності. При Т = 300 К її значення знаходиться в межах 10 ^-10 ... 10⁴ См/см.

Напівпровідники являють собою найпоширеніший клас речовин. До них належать хімічні елементи: бор, вуглець, кремній, фосфор, сірка, германій, арсеній, селен, сіре олово, телур, йод; хімічні сполуки: СиСІ, CаАs, GеАs, GеSі, СuО, РЬS та ін.; більшість мінералів - природних хімічних сполук, число яких досягає 2000, і багато органічних речовин. В електроніці використовують обмежене число напівпровідникових речовин.

Для виготовлення напівпровідникових приладів найширше використовують германій Gе та кремній Sі. Зовнішні оболонки атомів цих речовин мають по чотири валентні електрони. Просторові кристалічні ґрати складаються з атомів, зв'язаних один з одним валентними електронами. Такий зв'язок називають ковалентним або парноелектронним.

Напівпровідники без домішок і дефектів кристалічної структури називають власними напівпровідниками. Такі напівпровідники у вузлах кристалічних ґрат мають лише свої атоми . Ділянку у напівпровіднику, що має електропровідність власного напівпровідника, називають ділянкою власної електропровідності - і-ділянкою. У власному напівпровіднику - напівпровіднику і-типу - в умовах теплової рівноваги концентрації носіїв заряду кожного знака практично однакові

Власний напівпровідник, як і метал, являє собою регулярну геометричну структуру атомів. Але більшість валентних електронів не може вільно рухатися по кристалу. Вони зв'язані ковалентними зв'язками з атомами, фіксованими у вузлах кристалічних ґрат. При Т=О К (абсолютному нулі) всі валентні електрони беруть участь у створенні зв'язків, і вільних носіїв заряду для здійснення провідності немає. Але з підвищенням температури частина валентних електронів розриває ковалентні зв'язки і утворює - «газ» рухомих (вільних) електронів, здатних переносити електричний струм. Це - електрони провідності. Якщо зв'язок розривається, то в цілісній системі зв'язків не вистачає заряду, який поводить себе подібно до позитивного рухомого носія заряду, здатного переносити електричний струм. Ці позитивні заряди (вакантний енергетичний рівень у валентній авні) називають дірками, оскільки вони виникають у разі, коли немає електрона у ковалентному зв'язку. Хаотичний рух здійснюють не тільки електрони, але й дірки. Рух дірок - це рух зв'язаних електронів валентної зони на сусідні звільнені місця. Процеси переміщення зв'язаних електронів у валентній зоні не такі прості, як процеси, подані вище. Більш докладно їх описано у відповідних розділах фізики твердого тіла. У технічній електроніці зазвичай вживають спрощений математичний опис процесу електропровідності, подаючи перенесення заряду зв'язаним електроном у валентній зоні як результат переміщення елементарної частинки з позитивним зарядом, що дорівнює заряду електрона. Обґрунтуванням цього є те, що з утворенням дірки у місцях кристала, які були до її появи електричне нейтральними, виникає локальний позитивний заряд q, оскільки після відходу електрона заряд атомного залишку не компенсується. Причому переміщення дірок відбувається у напрямі, протилежному руху електронів у валентній зоні, так само, як і рух позитивно зарядженої частинки - дірки. Тому для опису процесу електропровідності зв'язаними електронами використовують поняття фіктивної частинки - дірки. Таке спрощення виправдовується тим, що опис процесів електропровідності за допомогою такої фіктивної частинки є достатнім наближенням до дійсності. У власних напівпровідниках кількість вільних електронів дорівнює кількості дірок, оскільки з розривом ковалентного зв'язку одночасно утворюються і вільний електрон, і дірка. Кристал залишається електрично нейтральним.

Процес утворення пар електрон - дірка називається генерацією пар носіїв заряду. Такий процес виникає, наприклад, під час нагрівання напівпровідника. Його називають термогенерацією. Напівпровідники - це речовини, питома провідність яких суттєво залежить від зовнішніх факторів.

Одночасно з генерацією перебігає зворотний процес рекомбінації електронів та дірок, за якого електрони зони провідності переходять у валентну зону на вільні енергетичні рівні, що відповідають діркам. При цьому електрони і дірки зникають як вільні носії зарядів (електрони переходять у зв'язаний стан). У рівновазі обидва процеси взаємно компенсують один одного і встановлюється рівномірна концентрація електронів та дірок - рівноважний заряд.

Швидкість рекомбінації, тобто кількість зникаючих за одиницю часу електронно-діркових пар, визначається властивостями напівпровідника і пропорційна концентрації електронів n_i та дірок р_i. Чим більше носіїв заряду, тим вірогідніше їх зіткнення, яке закінчується рекомбінацією.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Призначення і будова машин постійного струму	\|	Отже, швидкість рекомбінацій

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.