3.2.10 Свободные носители электрических зарядов в проводниках. Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и расплавов электролитов, газов. Полупроводники. Полупроводниковый диод

Видеоурок 1: Электрический ток в различных средах  

Видеоурок 2: Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый

Лекция: Свободные носители электрических зарядов в проводниках. Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и расплавов электролитов, газов. Полупроводники. Полупроводниковый диод

Носители заряда в проводниках

Она возникает в результате того, что у атомов металлов на внешнем энергетическом уровне имеются свободные электроны, которые достаточно просто вырываются под действием электрической силы, а разность потенциалов направляет их. В качестве проводников так же можно использовать электролиты, заряженными частицами в них являются положительные и отрицательные ионы.

Ток в металлах, ток в электролитах, диэлектрики

Если начать пропускать ток через электролит, в котором имеется ионы, то положительные из них будут стремиться осесть на катоде, а отрицательные - на аноде.

С помощью закона Фарадея можно рассчитать, какое количество элементов осядет на поверхности электродов:

Именно по средствам электролиза происходит покрытие некоторых деталей необходимыми элементами. К такой детали подводят ток необходимой полярности, в зависимости от знака иона, и на ней начинают оседать необходимые элементы.

Электрический ток в газах

Примером появления тока в газах является молния, корона на острых частях высоких деревьев, гор, пиков на сооружениях. В результате ионизации происходит коронный разряд, образованный полем между проводниками. Часто такой разряд можно встретить между высоковольтными проводами.

Полупроводники

Изменение сопротивления вследствие изменения температуры графически можно представить следующим образом:

Из данной зависимости можно сделать вывод, что такое свойство особенным образом отличает полупроводники от проводников тем, что у вторых при повышении температуры сопротивление наоборот растет. Что касается света, то для проводников он не играет никакой роли, а полупроводникам снижает сопротивление.  Так как во время протекания тока не происходит переноса вещества, можно судить, что носителями заряда являются электроны.

Почему же меняются свойства во время увеличения температуры? Повышение температуры приводит к увеличению скорости частиц, что приводит к образованию свободных носителей.

Строение кремния

Чтобы разобраться в проводимости кремния и других полупроводников, следует изучить их строение.

Все шары на рисунке - это атомы элемента, а трубки, что их соединяют - ковалентная связь. Стоит обратить внимание, что каждый атом имеет четыре соседа, это объясняется тем, что элемент имеет валентность, равную четырем.

Каждый атом кремния имеет внешние 4 свободных электрона, к каждому из которых присоединяются аналогичные элементы. При этом, стоит отметить, что электроны способны свободно передвигаться и переходить к соседним атомам и становится его собственностью. Забегая вперед, можно отметить, что именно такое передвижение между соседними атомами и приводит к появлению тока. А чем выше температура, тем легче перемещаются электроны.

Стоит отметить, что электроны не только способны ускорять свое движение в кристалле под действием температуры, но и начинается разрушение ковалентных связей. Чем больше таких связей разорвалось, тем больше становится значение электрического тока.

Когда связь разрушается, а электрон выходит из своего места, там появляется дырка - это место, куда стремится попасть соседний электрон при наличии внешней силы. Когда электрон путешествует по полупроводнику, он переходит с одной дырки в другую, в результате чего дырка также перемещается. Если на полупроводник действует повышенная температура, то дырки и электроны блуждают в произвольном порядке, но когда полупроводник помещается в электрическое поле, дырки начинают двигаться в направлении, обратном напряженности.

Примеси, P-n-переход

В результате введения дополнительных примесей в полупроводник, происходит изменение его свойств. В таком случае полупроводники будут иметь не только собственную проводимость, но и способность примесей проводить электрический ток.

Например, если к четырехвалентному кремнию добавить мышьяк, который имеет валентность, равную пяти, то такое соединение будет иметь лишний электрон в кристаллической решетке. И к чему же приводит такой электрон? К появлению свободных носителей зарядов.

В таком случае такой полупроводник будет иметь значительную проводимость даже при комнатной температуре, поскольку свободный электрон не имеет достаточной силы взаимодействия с кремнием, поэтому способен спокойно перемещаться по полупроводнику.

Отличием такого соединения является то, что свободный электрон и его движение не сопровождается появлением дырки. Однако, как и прежде между атомами кремния связь рвется и образуются так же электроны и дырки. Проводимость, при которой свободных электронов больше, чем дырок за счет примесей, называется донорной, а полупроводники получили название n-полупроводники.

Если два полупроводника, которые имеют различную проводимость привести в контакт, то на месте их разделения появится P-n-переход.

На рисунке слева находится полупроводник, где преобладают дырки, а справа - электронная проводимость.  В результате свободного движения одни носители перемещаются в другую часть полупроводника, что приводит к их смешению, однако в тех местах, где существует граница - остается заряд, что не был скомпенсирован.

Если через полупроводники пропустить ток, то он будет способствовать движению частиц, что приведет к увеличению перехода, что способствует снижению проводимости.

Если ток направить в обратном направлении, то ситуация существенно изменится:

P-n-переход начнет уменьшаться, что приведет к увеличению проводимости. Таким образом, можно сделать вывод, что два полупроводника с различной проводимостью будет проводить ток только в одном направлении. Такой принцип и строение используется в полупроводниковых диодах.

Если диод изображен таким образом, как показано выше, то это значит, что ток может бежать слева направо, но ни в коем случае не в обратном направлении.