Металлы

У металлов в верхней зоне заполнена электронами лишь часть уровней. В простейшем случае это может быть, когда число валентных электронов меньше числа уровней в зоне. Например, у одновалентных металлов число подуровней в два раза больше числа заполняющих эти подуровни электронов.

При приложении электрического поля электроны начинают свободно двигаться в зоне к положительному полюсу. При нагревании число валентных электронов не меняется, но зато уменьшается время свободного пробега, так как ионы кристаллической решетки начинают сильнее колебаться и электроны чаще сталкиваются с ними. Поэтому электропроводность металлов с нагреванием уменьшается, удельное сопротивление соответственно увеличивается.

Прмесная проводимость полупроводников

Электрические свойства полупроводников сильно зависят от наличия примесных атомов. Тысячные доли процента примеси могут в сотни тысяч раз уменьшить сопротивление полупроводников. Различные примесные атомы по разному влияют на электропроводность полупроводника.

Рассмотрим кремний. Атомы кремния имеют по 4 валентных электрона. В кристаллической решетке каждый атом кремния окружен четырьмя соседними атомами кремния. Их валентные электроны образуют ковалентные связи. Каждый атом кремния имеет 4 своих и 4 соседних электрона, получается полностью заполненная оболочка. Свободные электроны могут образоваться только за счет разрыва связей при повышении температуры, освещении или облучении полупроводника – это будет собственная проводимость.

Если в кремний ввести атомы 5 группы, например, фосфор, то 4 электрона фосфора образуют ковалентные связи с атомами кремния, а пятый электрон будет вращаться вокруг атома фосфора по орбите большого радиуса, его связь с атомом фосфора будет сильно ослаблена. Поэтому при незначительном повышении температуры он может быть оторван от атома фосфора и стать свободным. На зонной диаграмме это изображается уровнем вблизи дна зоны проводимости – Е_д, Е_д << Е_з .

Примеси, увеличивающие число свободных электронов, называются донорными.

Рассмотрим атомы 3 группы, например, алюминий, введенные в кристаллическую решетку кремния. Каждый атом алюминия имеет 3 своих валентных электрона и 4 электрона соседних атомов кремния. До насыщения не хватает одного электрона. Этот электрон может перейти при повышении температуры от других соседних атомов кремния. Но при этом образуется дырка в валентной зоне, которая может участвовать в электропроводности.

Примеси, увеличивающие число свободных дырок, называютсяакцепторными. На зонной диаграмме акцепторная примесь изображается уровнем вблизи потолка валентной зоны – Е_а.

Полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником р-типа, а с электронной проводимостью – n-типа.

Лекция 10

Магнитное поле

Магнитные свойства постоянных магнитов, их способность притягивать железные предметы, были известны еще древним грекам. Явление земного магнетизма было использовано китайцами еще 2000 лет назад для создания компаса.

Намагниченные тела создают в пространстве вокруг себя магнитное поле, действующее ориентирующим образом на другие намагниченные тела. Магнитная стрелка, помещенная в это поле, устанавливается в каждой его точке вполне определенным образом, указывая направление поля.

Многочисленные опыты показали, что магнитное поле тесно связано с электрическим током. Электрический ток создает в пространстве вокруг себя магнитное поле. Так как ток – это поток заряженных частиц, следовательно, магнитное поле создается движущимися зарядами. В свою очередь на заряды, движущиеся в магнитном поле, действуют силы. Магнитное поле – это особый вид формы существования материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися зарядами.

Магнитное поле характеризуется с помощью вектора магнитной индукции В, являющегося силовой характеристикой магнитного поля. Понятие вектора индукции магнитного поля вводится на основании одного из трех опытных фактов:

1) ориентирующее действие магнитного поля на рамку с током

2) отклонение проводника с током в магнитном поле

3) отклонение пучка заряженных частиц, движущихся в магнитном поле.

Графически магнитное поле можно изображать с помощью линий магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называются воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора индукции в этих точках поля. Густота линий пропорциональна численному значению вектора индукции. Линии магнитной индукции замкнуты. Замкнутость линий магнитной индукции означает, что в природе отсутствуют свободные магнитные заряды.