Билет № 7

1. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

Существует большая группа веществ, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества называют полупроводники. К ним относятся кремний, германий, фосфор, мышьяк, сурьма, селен, оксиды некоторых металлов, сульфиды, теллуриды.

От металлов полупроводники отличаются концентрацией свободных зарядов, в полупроводниках при нормальных условиях концентрация свободных электронов в миллиард раз меньше, чем в металлах. Поэтому удельное сопротивление полупроводников на несколько порядков выше, чем у металлов. Если при нагревании металла сопротивление проводника увеличивается, то при нагревании полупроводника сопротивление значительно уменьшается. Проводимость некоторых полупроводников значительно возрастает при их освещенности. Примеси в металлах значительно снижают их электропроводимость, примеси в полупроводниках могут повысить электропроводимость в отдельных случаях в десятки тысяч раз. Электропроводимость неметаллических кристаллов существенно зависит от давления, при давлении 3-4 атм. Она может стать равной проводимости металлических кристаллов.

Электропроводимость полупроводников объясняется особенностью их кристаллического строения. Рассмотрим кристаллическую решетку германия. Германий – типичный полупроводник (z=32 ). Четыре электронных оболочки германия содержат 32 электрона-2, 8, 18, 4. Три внутренних оболочки устойчивые, т. е. в химических реакциях не участвуют, их электроны имеют сильную связь со своим ядром. Во внешней оболочке атомов германия имеется 4 валентных электрона. При сближении данного атома с соседними валентные электроны соседних атомов взаимодействуют друг с другом. Каждый атом германия находится на одинаковом расстоянии от четырех соседних атомов и образует с ними ковалентные связи, т. е. такие связи, при которых каждый из валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам. Валентные электроны могут переходит из одной ковалентной связи в другую, перемещаться по всему кристаллу. Такое перемещение хаотичное, поэтому тока не создает.

Собственная проводимость полупроводников.

Энергия ионизации атомов германия сравнима с энергией теплового движения уже при комнатной температуре. Поэтому часть внешних электронов обобществляется соседними атомами и легко переходят от одного атома к другому, становясь блуждающими частицами ( Электроны стали свободными ). Число таких электронов значительно увеличивается при нагревании или освещении. Под действием электрического поля свободные электроны станут двигаться направленно и создадут электрический ток, называемый электронным током. Одновременно с появлением блуждающего (свободного) электрона у атома полупроводника возникает свободное место в ковалентной связи, которое принято называть дыркой. Эту дырку может занять электрон из ковалентной связи соседнего атома, у которого в свою очередь образуется дырка. Таким образом блуждание электронов в кристаллической решетке влечет за собой блуждание дырок.

« Перемещение» дырок от одного атома к другому подобно движению положительного заряда, т. е. дыркам приписывается положительный заряд. Под действием электрического поля « дырки» будут перемещаться в направлении, противоположном движению электронов, создавая дырочную проводимость. Ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. В химически чистых полупроводниках электронный ток равен дырочному, а проводимость чистых полупроводников называют собственной.

Примесная проводимость полупроводников.

Проводимость полупроводников зависит не только от внешних условий, в частности от температуры и давления. Проводимость увеличивается при наличии специально подобранных примесей. Тогда наряду с собственной проводимостью возникает примесная проводимость. Обычно основным полупроводником являются германий или кремний.

Если к четырехвалентному кремнию в качестве примеси добавить пятивалентное вещество, например, мышьяк, то для образования ковалентной связи атомов кремния и мышьяка достаточно четырех валентных электронов от каждого атома. При этом пятый валентный электрон мышьяка оказывается свободным, т.е. электроном проводимости. Примесь, валентность которой больше валентности основного полупроводника, называется донорной (отдающей электрон ). Полупроводники с донорной примесью называются полупроводниками n-типа. В полупроводниках – типа электронная проводимость преобладает над дырочной. Электроны называют основными носителями заряда, дырки-неосновными носителями .

Если к кремнию в качестве примеси добавить трехвалентное вещество, например, индий, то при образовании ковалентной связи атомов кремния и индия не будет хватать одного электрона. Поэтому на каждый атом индия образуется одна лишняя дырка Примесь, валентность которой меньше валентности основного полупроводника, называется акцепторной (принимаюшей). Полупроводники с акцепторной примесью называются полупроводниками р- типа. В полупроводниках р- типа дырочная проводимость преобладает над электронной. Дырки- основные носители заряда.

2. Ядерные превращения. Закон радиоактивного распада.

Радиоактивный распад- радиоактивное превращение атомных ядер, которое сопровождается появлением ядра другого химического элемента и выделением одной из элементарных частиц. Радиоактивный распад подчиняется правилу смещения.

При α-распаде получается ядро химического элемента, смещенного на две клетки к началу периодической системы, при этом массовое число убывает на четыре единицы.

Т.е. α-распад происходит по схеме

, например

ß-распад бывает двух разновидностей: электронный и позитронный. При ß-электронном распаде образуется ядро, расположенное на одну клетку правее исходного , например

При позитронном распаде ( позитрон- античастица электрона, отличается от электрона только знаком заряда) образуется ядро химического элемента, смещенного на одну клетку к началу таблицы Менделеева , например

Распад ведет к уменьшению числа атомов радиоактивного вещества и носит случайный характер. Заранее нельзя предсказать какой из атомов и когда распадется.

До момента распада ни в ядре, ни в электронной оболочке атома никаких процессов, предопределяющих распад, не происходит. Поэтому можно говорить только о вероятности распада какого-либо атома за данный промежуток времени. Время T, в течение которого распадается половина первоначального количества радиоактивных атомов, называется периодом полураспада.

Закон радиоактивного распада является статистическим законом, он имеет вид:

N= N₀·2^-t/T, где N₀-начальное число радиоактивных ядер, N- число нераспавшихся ядер через время t от начала распада, T – период полураспада.

Периоды полураспада у радиоактивных элементов сильно различаются. Например, у урана-238 он равен 4,5·10⁹ лет, у тория-234 он равен 24,1 дня, а у полония-214 составляет всего 1,5·10^-4 с.

Независимость периода полураспада радиоактивных элементов используется для определения возраста горной породы, в которой эти элементы содержатся ( обычно для используют изотоп урана . Возраст органических соединений обычно определяют по содержанию углерода.