Темы сообщений, страница 61 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Темы сообщений

1. Электрический ток в полупроводниках.

2. Терморезисторы и фоторезисторы.

3. Полупроводниковый диод.

1. Электрический ток в полупроводниках.

Электрический ток в полупроводниках представляет собой упорядоченное движение носителей заряда. В отличие от металлов, где носителями являются только электроны, в полупроводниках существует два типа носителей заряда: электроны и так называемые «дырки».

Собственная проводимость. В чистом (собственном) полупроводнике, например, в кремнии (Si) или германии (Ge), при абсолютном нуле температуры все электроны находятся в валентной зоне и материал является диэлектриком. При повышении температуры часть электронов за счет тепловой энергии переходит из валентной зоны в зону проводимости, становясь свободными электронами (носителями отрицательного заряда). На месте ушедшего электрона в валентной зоне образуется вакантное место с эффективным положительным зарядом, называемое дыркой. Дырка может быть заполнена электроном из соседней связи, что эквивалентно перемещению дырки в пространстве. Таким образом, в собственном полупроводнике ток создается как движением электронов в зоне проводимости, так и движением дырок в валентной зоне. Этот процесс называется генерацией электронно-дырочных пар. Общий ток равен сумме электронного и дырочного токов: $I_{общ} = I_{э} + I_{д}$.

Примесная проводимость. Для управления электрическими свойствами полупроводников в них вводят небольшое количество примесей — этот процесс называется легированием. В зависимости от типа примеси получают полупроводники n-типа или p-типа.

* Полупроводники n-типа (n-type): создаются путем добавления донорной примеси, атомы которой имеют на один валентный электрон больше, чем атомы основного полупроводника (например, мышьяк As в кремнии Si). Этот «лишний» электрон слабо связан с атомом и легко становится свободным, переходя в зону проводимости. В полупроводниках n-типа основными (мажоритарными) носителями заряда являются электроны, а неосновными (миноритарными) — дырки, которые образуются за счет тепловой генерации.

* Полупроводники p-типа (p-type): создаются путем добавления акцепторной примеси, атомы которой имеют на один валентный электрон меньше (например, бор B в кремнии Si). Атому примеси не хватает одного электрона для образования ковалентных связей, что создает в валентной зоне дырку. В полупроводниках p-типа основными (мажоритарными) носителями заряда являются дырки, а неосновными (миноритарными) — электроны.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры: с ростом температуры число носителей заряда (электронно-дырочных пар) экспоненциально растет, что приводит к увеличению проводимости (уменьшению сопротивления).

Ответ: Электрический ток в полупроводниках обусловлен упорядоченным движением двух типов носителей заряда: свободных электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). Проводимость может быть собственной (в чистых полупроводниках) или примесной (в легированных полупроводниках n-типа или p-типа), и она сильно зависит от температуры и концентрации примесей.

2. Терморезисторы и фоторезисторы.

Терморезисторы и фоторезисторы — это полупроводниковые приборы, сопротивление которых зависит от внешних физических факторов: температуры и освещенности соответственно.

Терморезисторы (термисторы).

Это резисторы, электрическое сопротивление которых изменяется при изменении температуры. Их изготавливают из полупроводниковых материалов (смеси оксидов металлов, кремния, германия).

* Термисторы с отрицательным ТКС (NTC - Negative Temperature Coefficient): Их сопротивление уменьшается с ростом температуры. Это наиболее распространенный тип. Механизм основан на том, что при нагреве в полупроводнике резко увеличивается концентрация носителей заряда (электронов и дырок) из-за тепловой генерации, что приводит к увеличению проводимости и, следовательно, уменьшению сопротивления.

* Термисторы с положительным ТКС (PTC - Positive Temperature Coefficient), или позисторы: Их сопротивление, наоборот, возрастает с ростом температуры. Этот эффект может наблюдаться в сильно легированных полупроводниках или в специальных керамических материалах, где при достижении определенной температуры (точки Кюри) происходит резкий скачок сопротивления.

Применения: измерение и контроль температуры, температурная компенсация в электронных схемах, защита от перегрузки по току.

Фоторезисторы.

Это резисторы, сопротивление которых зависит от интенсивности падающего на них света. Их также называют LDR (Light-Dependent Resistor).

* Принцип действия: основан на явлении внутреннего фотоэффекта в полупроводнике. Когда фотоны света с достаточной энергией попадают на материал фоторезистора (например, сульфид кадмия CdS или селенид кадмия CdSe), они поглощаются и создают новые пары носителей заряда «электрон-дырка». Увеличение концентрации носителей заряда приводит к увеличению электропроводности материала, то есть к уменьшению его сопротивления. В темноте сопротивление фоторезистора очень велико (темновое сопротивление), а при ярком освещении — значительно уменьшается.

Применения: датчики освещенности в системах автоматического управления уличным освещением, фотоэкспонометры в фотоаппаратах, датчики в системах сигнализации.

Ответ: Терморезистор — это полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Фоторезистор — это полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности падающего на него света. Оба прибора работают за счет изменения концентрации носителей заряда в полупроводнике под действием внешнего фактора.

3. Полупроводниковый диод.

Полупроводниковый диод — это электронный компонент с двумя выводами (электродами), который обладает односторонней проводимостью: он хорошо пропускает ток в одном направлении и практически не пропускает в обратном.

Структура и принцип работы.

Основой диода является p-n-переход — область контакта двух полупроводников с разным типом проводимости: p-типа (где основные носители — дырки) и n-типа (где основные носители — электроны).

При создании такого контакта начинается диффузия носителей заряда через границу: электроны из n-области переходят в p-область, а дырки — из p-области в n-область. В результате рекомбинации электронов и дырок вблизи границы образуется обедненный слой (запирающий слой), лишенный свободных носителей заряда. В этом слое остаются неподвижные ионы примесей: положительные в n-области и отрицательные в p-области. Эти ионы создают внутреннее электрическое поле и потенциальный барьер, который препятствует дальнейшей диффузии.

Включение диода.

* Прямое смещение (Forward Bias): Внешний источник напряжения подключается «плюсом» к p-области и «минусом» к n-области. Внешнее поле направлено против внутреннего поля p-n-перехода, оно ослабляет потенциальный барьер. Когда приложенное напряжение превышает высоту барьера (около 0.3 В для германия и 0.7 В для кремния), обедненный слой сужается, и через переход начинает течь значительный прямой ток, экспоненциально растущий с увеличением напряжения.

* Обратное смещение (Reverse Bias): Внешний источник подключается «минусом» к p-области и «плюсом» к n-области. Внешнее поле совпадает по направлению с внутренним, усиливая потенциальный барьер и расширяя обедненный слой. Движение основных носителей через переход прекращается. Через диод течет лишь очень малый обратный ток (ток утечки), обусловленный движением неосновных носителей заряда.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ).

Зависимость тока через диод от приложенного напряжения ($I(V)$) нелинейна. В идеальном случае она описывается уравнением Шокли: $I = I_S (e^{\frac{V_D}{nV_T}} - 1)$, где $I_S$ — обратный ток насыщения, $V_D$ — напряжение на диоде, $V_T$ — температурный потенциал, $\text{n}$ — коэффициент идеальности. При увеличении обратного напряжения до определенного значения (напряжение пробоя) происходит резкое увеличение обратного тока (лавинный или зенеровский пробой).

Применения.

Благодаря своей односторонней проводимости диоды широко используются для выпрямления переменного тока, в детекторах, стабилизаторах напряжения (диоды Зенера), в качестве источников света (светодиоды), датчиков света (фотодиоды) и в логических схемах.

Ответ: Полупроводниковый диод — это устройство на основе p-n-перехода, обладающее свойством односторонней проводимости. При прямом смещении он открыт и пропускает ток, а при обратном смещении — закрыт и почти не пропускает ток, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока и во многих других электронных схемах.