Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковые приборы.

План ответа:

1. Определение. 2. Собственная проводимость. 3. Донорная проводимость. 4. Акцепторная проводи­мость. 5. р-п переход. 6. Полупроводниковые прибо­ры. 7. Применение полупроводников.

Полупроводники — это вещества, удельное со­противление которых убывает с повышением темпе­ратуры, наличия примесей, изменения освещен­ности. По этим свойствам они разительно отличают­ся от металлов. Обычно к полупроводникам относят­ся кристаллы, в которых для освобождения электро­на требуется энергия не более 1,5 — 2 эВ. Типичны­ми полупроводниками являются кристаллы герма­ния и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. При нагревании полупроводников их атомы ионизируют­ся. Освободившиеся электроны не могут быть захва­чены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действи­ем внешнего электрического поля могут перемещать­ся в кристалле, создавая ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализо­ваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле мес­та с недостающим электроном. Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как пе­ремещение положительного заряда, называемого «дыркой». При помещении кристалла в электриче­ское поле возникает упорядоченное движение «ды­рок» — ток дырочной проводимости.

В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип про­водимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводни­ков увеличивается.

На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают до-норные и акцепторные. Донорная примесь — это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются лишние электроны. Проводимость станет электрон­ной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью п = 4 донорной примесью является мышьяк с валент­ностью п = 5. Каждый атом примеси мышьяка при­ведет к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь — это примесь с мень­шей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «ды­рок». Проводимость будет «дырочной», а полупро­водник называют полупроводником p-типа. Напри­мер, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».

Принцип действия большинства полупровод­никовых приборов основан на свойствах р-п перехо­да. При приведении в контакт двух полупроводнико­вых приборов р-типа и n-типа в месте контакта на­чинается диффузия электронов из n-области в p-область, а «дырок» — наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечный во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».

р-п контакт полупроводников, подобно ваку­умному диоду, обладает односторонней проводи­мостью: если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запираю­щий слой разрушится и р-п контакт будет проводить ток, электроны из области n- пойдут в р-область, а «дырки» из p-области в n-область (рис. 23). В первом случае ток не равен нулю, во втором ток равен нулю. Т. е., если к p-области под­ключить «-» источника, а к n-области — «+» источника то­ка, то запирающий слой рас­ширится и тока не будет.

Полупроводниковый диод состоит из контакта двух полупроводников р- и n-типа. Достоин­ством полупроводникового диода являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент по­лезного действия, а недостатком — зависимость их сопротивления от температуры.

В радиоэлектронике применяется также еще один полупроводниковый прибор: транзистор, кото­рый был изобретен в 1948 г. В основе триода лежит не один, а два р-п перехода. Основное применение транзистора — это использование его в качестве уси­лителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве выпрямителя тока. После открытия транзистора на­ступил качественно новый этап развития электрони­ки — микроэлектроники, поднявший на качественно иную ступень развитие электронной техники, систем связи, автоматики. Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой назы­вают совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов — транзисторов, диодов, резисторов, со­единительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе. В результате этого про­цесса на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, ре­зисторов и диодов, до 3500. Размеры отдельных эле­ментов микросхемы могут быть 2—5 мкм, погреш­ность при их нанесении должна превышать 0,2 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ, разме­щенный на кристалле кремния размером 6х6 мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов.

Однако в технике применяются также полу­проводниковые приборы без р-п перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры), фото­резисторы (в фотореле, аварийных выключателях, в дистанционных управлениях телевизорами и видео­магнитофонами).

Билет №22

Принцип действия тепловой машины. КПД теплового двигателя.

1. Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.

Для того чтобы двига­тель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двига­телях эта разность давлений дости­гается за счет повышения темпера­туры рабочего тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры про­исходит при сгорании топлива.

Тепловая машина работает циклично. Газ, которому передается энергия, нагрет до высокой температуры и соответственно внутренняя энергия такого газа достаточно большая. Расширяясь, газ совершает работу, соответственно охлаждается, его внутренняя энергия уменьшается и совершается полезная работа. В дальнейшем, чтобы все повторилось нам надо перевести наш тепловой двигатель в первоначальное состояние, таким образом, чтобы работа вновь повторилась. Для этого нам необходимо газ охлаждать. Для рассмотрения всех процессов, происходящих в ТД, удобно рассматривать газ, находящийся в цилиндре под поршнем. В этом случае мы говорим, что газ совершает работу по перемещению поршня. Работа этого поршня и будет считаться полезной.

 

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

 

Первая часть - нагреватель. Нагревателем в ТД является процесс сгорания топлива. Именно в этот процесс включается образование газа. Нагреватель характеризуется температурой нагревателя Т_н, т.е. температура того, газа, который образовался. И конечно количеством теплоты, который передается этому газу.

Газ, образовавшийся в результате, того что сгорело топливо, называется рабочим телом. Рабочее тело и совершает работу. И оставшееся, некоторое количество теплоты будет передано холодильнику.

Холодильником, как правило, является окружающая среда. Именно температура холодильника в данном случае нам говорит о том, до какой температура мы должны понизить температуру рабочего тела, чтобы перевести машину в первоначальное состояние.

Работу, которое совершает рабочее тело, газ при расширении, мы определяем следующим образом: A=| Q ₁|– |Q ₂|. Важное значение имеет цикличность работы. Работа двигателя будет оправдана в том случае, если работа по сжатию газа будет меньше, чем работа, произведенная самим газом. В этом случае работа газа совершается при расширении, т.е. тогда, когда давление газа будет больше атмосферного. А в случае охлаждения газа, сжатие газа будет производиться внешними силами, тогда работа газа будет считаться отрицательной.

1. КПД теплового двигателя – важнейшая его характеристика. ТД подчиняется первому закону термодинамики и конечно же второму закону термодинамики (передача тепла происходит от более нагретого тела к менее нагретому).

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя. КПД выражают в процентах. h = ·100% h = ·100%

Q_н – теплота, полученная от нагревателя, Дж Q_х - теплота, отданная холодильнику, Дж

 

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

В 19 веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ для определения (через термодинамическую температуру):

 

η = ·100% Т_н – термодинамическая температура нагревателя, К

Т_х - термодинамическая температура холодильника, К.

 

И этот коэффициент полезного действия получил название максимального

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Тн, и холодильником с температурой Т_х, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Билет №23

Второе начало термодинамики. Холодильная машина. Тепловой двигатель.

1. Второе начало термодинамики: невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых явилось бы отнятие от тела определенного количества теплоты и превращение этого тепла полностью в работу.

В тепловой машине превращение тепла в работу обязательно сопровождается дополнительным процессом – передачей некоторого количества тепла Q2 более холодному телу, вследствие чего полученное от более нагретого тела количество тепла Q1 не может быть полностью превращено в работу, то есть, невозможен тепловой двигатель, который обладал бы коэффициентом полезного действия равным единице. Двигатель такого рода получил название вечного двигателя второго рода. Вечный двигатель второго рода – периодически действующий двигатель, совершающий работу за счёт одного источника теплоты.

2. Все тепловые машины работают по так называемому прямому циклу, т.е. осуществляют такой замкнутый процесс, при котором теплота превращается в работу. Однако машину можно заставить работать по обратному циклу, когда в результате совершенной работы от системы отнимается некоторое количество теплоты. В этом случае теплота будет переходить от менее нагретого тела к более нагретому, а машина превратится в холодильную машину. Примером самой распространенной холо­дильной машины в настоящее время являет­ся домашний холодильник.

3. Основная классификация тепловых двигателей по способу подвода теплоты к рабочему телу:

1. Двигатели внутреннего сгорания

2. Двигатели внешнего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания. В этих двигателях основные процессы — сжигание топлива и выделение теплоты с преобразованием в механическую работу — происходят непосредственно внутри двигателя.

Двигатели внешнего сгорания – класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. Это, например, паровая турбина, газовая турбина, паровая машина.

Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

Тепловые двигатели - паровые турбины - устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном - поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном- ДВС и паровые турбины; на ж/д- тепловозы с дизельными установками; в авиации - поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

 

Билет №24

Свойства жидкостей. Поверхностный слой жидкости. Капиллярные явления.

Жидкости состоят из молекул, расстояния между которыми сравнимы с размерами самих молекул. Молекулы колеблются относительно положений равновесия и перескакивают с одного места на другое, время "оседлой жизни" составляет примерно 10 -8 с. Жидкости текучи, практически несжимаемы. Они сохраняю объем, но меняют форму

Вспомним эксперимент Пускание мыльных пузырей.

Из-за действия сил поверхностного натяжения в каплях жидкости и внутри мыльных пузырей возникает избыточное давление Δp. Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки, то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе разреза длиной 2πR и сил избыточного давления, действующих на площадь πR² сечения. Условие равновесия записывается в виде

σ2πR = ΔpπR².

Отсюда избыточное давление внутри капли равно

(капля жидкости).

Избыточное давление внутри мыльного пузыря в два раза больше, так как пленка имеет две поверхности:

(мыльный пузырь).

 

 

Ещё один эксперимент: пробирку заполняют водой, прикрывают листком бумаги и перевертывают. При этом держат строго в вертикальном направлении, листок убирают. И вода не проливается. Почему?

Многочисленные наблюдения и опыты показывают, что жидкость принимает такую форму, при которой ее свободная поверхность имеет наименьшую площадь. В своем стремлении сократиться поверхностная пленка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не притяжение к Земле. Чем меньше капля, тем боль­шую роль играют силы поверхностного натяжения. Поэтому маленькие капель­ки росы близки по форме к шару, при свободном падении дождевые капли почти строго шарообразны.

Силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно ли­нии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить ее до минимума, называют силой поверхностного натяжения.

Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются.

Билет №25

Свойства твёрдых тел. Закон Гука. Механические свойства твёрдых тел. Плавление и кристаллизация.

Типы деформаций

Механические свойства твердых тел обусловлены их молекулярной структурой. Внешнее механическое воздействие на тело может приводить к изменению его формы и объема, т. е. к деформации.

Деформация - изменение формы и размера твердого тела под действием внешних сил.

Упругие деформации

Многие из окружающих нас тел могут деформироваться, то есть изменять свою форму под внешним воздействием. Это изменение называется упругим, если тело полностью восстанавливает свою форму после прекращения внешнего воздействия. При упругих деформациях справедлив закон Гука: величина деформации пропорциональна вызывающей ее силе, Fупр = –kx. Коэффициент k называется жесткостью.

Пластичные деформации

Пластичная деформация — деформация, сохраняющаяся после прекращения действия внешней силы.

Хрупкие деформации

Хрупкие деформации являются необратимыми.

Материалы, у которых разрушение происходит при деформациях, лишь незначительно превышающих область упругих деформаций, называются хрупкими.

Упругие деформации, возникающие в телах, весьма разнообразны. Различают четыре основных вида деформаций: растяжение (или сжатие), сдвиг, кручение и изгиб.

Наиболее часто при эксплуатации различных конструкций приходится рассчитывать упругие деформации растяжения или сжатия.

Деформацию растяжения (сжатия) тела характеризуют его относительным удлинением ε – отношением абсолютного удлинения Δl = l – l₀ к первоначальной длине l₀. При деформации сдвига ε = tg θ.

Приложенная к телу внешняя сила F создает внутри него нормальное механическое напряжение.

Напряжение – величина, измеряемая отношением модуля F силы упругости к площади поперечного сечения S тела:

При малых деформациях тел всегда выполняется закон Гука: Fупр = –kx. Коэффициент k называется жесткостью.

Коэффициент упругости зависит от материала стержня и его геометрических размеров:

Коэффициент Е, входящий в эту формулу, называют модулем упругости или модулем Юнга.

Подставляя в формулу закона Гука выражение для к, получим:

σ = Е׀ε׀.

Это выражение называется законом Гука для твердых тел.

Плавление и кристаллизация

Плавление - переход вещества из твердого состояния в жидкое. Обратный переход называется кристаллизацией.

Энергия, которая тратится на разрушение кристаллической решетки вещества, определяется по формуле

Удельная теплота плавления известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.

Билет №26

Принцип суперпозиции полей. Работа сил электростатического поля. Потенциал.

1. Чему будет равна напряженность в некоторой точке электрического поля, созданного несколькими зарядами q ₁, q ₂, q ₃, …?

Поместим в данную точку пробный заряд q. Пусть F ₁ — это сила, с которой заряд q ₁ действует на заряд q; F ₂ — это сила, с которой заряд q ₂ действует на заряд q и т.д. Из динамики вы знаете, что если на тело действует несколько сил, то результирующая сила равна геометрической сумме сил, т.е.

.

Разделим левую и правую часть уравнения на q:

.

Если учтем, что , мы получим, так называемый, принцип суперпозиции полей

· напряженность электрического поля, созданного несколькими зарядами q ₁, q ₂, q ₃, …, в некоторой точке пространства равна векторной сумме напряженностей , … полей, создаваемых каждым из этих зарядов:

.

Благодаря принципу суперпозиции для нахождения напряженности поля системы точечных зарядов в любой точке достаточно знать выражение для напряженности поля точечного заряда. На рисунке а, б показано, как геометрически определяется напряженность поля, созданного двумя зарядами.

А

б

2. Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда.

Следствием независимости работы от формы траектории является следующее утверждение:
Работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю.

Силовые поля, обладающие этим свойством, называют потенциальными или консервативными.

3. Потенциал электростатического поля — скалярная величина, равная отношению потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду:

- энергетическая характеристика поля в данной точке. Потенциал не зависит от величины заряда, помещенного в это поле.