6.7 Мощность тока. Закон Джоуля – Ленца

Работа сторонних электростатических сил на участке цепи:

A = q U = U I t 

Мощность:

P = A / t = U I = (₁ - ₂)  I + ₁₂ I

A = U I t = I² R t = (U² / R) t

P = U I = U² / R = I² R

Если проводник неподвижен, в нем нет химических превращений, то работа тока затрачивается на нагрев:

Q = A I U t = I² R t = (U² / R) t – закон Джоуля-Ленца

Если сила тока меняется со временем, то

.

7. Электрический ток в различных средах

7.1 Электрический ток в полупроводниках

7.2 p–nпереход. Полупроводниковый диод

7.3 Транзистор

7.4 Ток в газах

7.1 Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники- вещества, характеризующиеся удельным сопротивлением ~ 10^-310⁷ Омм.

Характерной особенностью полупроводников является резкое уменьшение удельного сопротивления (или, соответственно, увеличение электропроводности) при их нагревании, причем в широком интервале температур это уменьшение имеет экспоненциальный характер.

Рис.21. Зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры

Прохождение тока по полупроводнику не сопровождается никакими химическими изменениями и только концентрация носителей заряда увеличивается с увеличением температуры. При абсолютном нуле полупроводники не проводят электрический ток, т.е. являются диэлектриками. Поэтому различие между полупроводниками и диэлектриками имеет количественный, а не качественный характер.

Основное различие между полупроводниками и металлами заключается в том, что в полупроводнике для того, чтобы перевести электрон из связанного состояния в свободное, необходимо извне сообщить ему некоторую добавочную энергию, называемую «энергией ионизации». К полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,52эВ. Кристаллы с большими значениями энергии связи электронов с атомами относят к диэлектрикам. (В металлах даже при самой низкой температуре имеется большое число свободных электронов.)

Собственная и примесная проводимость полупроводников

Рассмотрим типичный полупроводник - кристалл кремния.

Атом кремния (Z= 14) имеет в своем составе 14 электронов, но только 4 из них участвуют в химических реакциях и обуславливают четыре валентности кремния и поэтому получили название валентных электронов.

В решетке кремния расположение атомов таково, что каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь двух соседних атомов обусловлена парой электронов, образующих парно-электронную или валентную связь. Эта картина соответствует чистому кремнию при очень низкой температуре, т.к. в этом случае электроны не участвуют в электропроводности, а образуют связи между атомами.

Рис.22 . Электроны проводимости и дырки в кристалле кремния

При повышении температуры кристалла тепловые колебания решетки приводят к разрыву валентных связей. В результате часть электронов отщепляется и они становятся электронами проводимости. В то же время всякий разрыв связи приводит к появлению вакантного места с отсутствующей связью. Такие места с отсутствующими электронами получили название дырок.

В результате при наличии электрического поля в образовании электрического тока будут принимать участие не только электроны, но и дырки. Поэтому в полупроводниках существуют два различных процесса электропроводности: электронный и дырочный.

В идеальных кристаллах возбуждение одного из связанных электронов и превращение его в электрон проводимости неизбежно вызывает появление дырки, т.е. концентрации обоих типов носителей равны между собой. Рассмотренный процесс проводимости получил название собственной проводимости.

Связь электронов может быть разорвана не только тепловым движением, но и различными внешними воздействиями: светом, сильным электрическим полем, потоком быстрых частиц. Поэтому для полупроводников характерна высокая чувствительность электропроводности к внешним воздействиям, а также к содержанию примесей и дефектов в кристаллах.

В реальных кристаллах равенство концентраций электронов и дырок может нарушаться за счет примесей и дефектов кристаллической решетки. Введение; примеси называется легированием полупроводника. В зависимости от характера примеси полупроводники могут быть двух типов.

Если в качестве примеси для кристалла кремния взять атом мышьяка, который имеет 5 валентных электронов, то пятый электрон атома оказывается слабо связанным и может быть легко отщеплен, а атом мышьяка становится положительно заряженным ионом. Но в этом случае образование дырки не происходит и при наличии электрического поля ток будет обусловлен только движением электронов.

Рис.23 Полупроводник n-типа. Кристалл кремния с примесью атомов мышьяка. Лишний электрон свободно перемешается

Если в качестве примеси взять атом бора, который имеет 3 валентных электрона, то недостающий электрон захватывается из соседних мест кристалла и атом бора превращается в отрицательный ион. В этом случае при наличии электрического поля ток будет обусловлен только движением дырок.

Рис.24 Полупроводник р-типа. Кристалл кремния с примесью атомов бора. Дырка перемешается

Такая электропроводность полупроводников называется примесной. Примеси, вызывающие появление электронов проводимости называютсядонорнымии создают электронную проводимость (n-типа), а появление дырок - акцепторными и создают дырочную проводимость (р -типа).

7.2p-nпереход. Полупроводниковый диод

Одностороннюю проводимость контактов двух полупроводников разных типов применяют для создания полупроводниковых выпрямителей, предназначенных для выпрямления и преобразования переменных токов. На основе этого явления работает большинство современных полупроводниковых приборов.

Область контакта между полупроводниками р- и n-типа называют электронно-дырочным (р-п) переходом. При установлении контакта часть электронов вследствие диффузии из полупроводника n-типа переходит в полупроводник p-типа, а часть дырок из р-типа - в n-тип и в результате полупроводник n-типа заряжается положительно, а р-типа отрицательно. Вследствие этого между двумя слоями объемного заряда возникает электрическое поле.

Рис.25 . Электронно-дырочный (р-n) переход и образование запирающего слоя

Это поле будет препятствовать диффузии электронов и она прекратится в тот момент, когда созданное поле возрастет настолько, что электроны не смогут перемещаться через поверхность контакта. Таким образом, в узкой области поверхности контакта образуется запирающий слой (двойной электрический слой). Запирающее напряжение для кремниевых р-n переходов примерно 0,6 В, а для германиевых -0,35 В.

При помещении полупроводника с р-n переходом в электрическую цепь так, что область с электронной проводимостью была соединена с положительным полюсом источника тока, ширина запирающего слоя увеличивается, так как электроны и дырки отодвигаются от запирающего слоя в разные стороны.

Рис.26 Схема, показывающая принцип действия полупроводникового диода.

Ток в этом случае обусловлен наличием небольшой концентрации свободных электронов в р-полупроводнике и дырок - n-полупроводнике и называется обратным.

При помещении полупроводника в электрическую цепь так, что положительный полюс соединен с областью р-проводимости, ширина запирающего слоя уменьшается, вследствие чего движение основных носителей облегчается и через р-n переход будет течь ток, называемый прямым,

Рис. 27 Схема, показывающая принцип действия полупроводникового диода.

Таким образом, р-n переход обладает односторонней проводимостью, которая используется для выпрямления переменного тока в полупроводниковых диодах. Схематическое изображение диода представлено на рис….

Рис.28 Схемы диодов и их условные обозначения

Отношение значения прямого тока к значению обратного при напряжении 1Вназывается коэффициентом выпрямления.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода имеет следующий вид:

Рис. 29 Вольтамперная характеристика полупроводникового диода