Электрический ток в различных средах

1. Электрический ток в полупроводниках

Полупроводниками называют вещества, удельное сопротивление которых во много раз меньше, чем у диэлектриков, о намного больше, чем у металлов. Наиболее широко в качестве полупроводников используют кремний и германий.

Главная особенность полупроводников – зависимость их дельного сопротивления от внешних условий (температуры, освещенности, электрического поля) и от наличия примесей. В 20-м веке ученые и инженеры начали использовать эту особенность полупроводников для создания чрезвычайно миниатюрных сложных приборов с автоматизированным управлением – например, компьютеров, мобильных телефонов, бытовой техники.

Быстродействие компьютеров примерно за полвека их существования увеличилось в миллионы раз. Если бы за этот же промежуток времени скорость автомобилей увеличилась тоже миллионы раз, то они мчались бы сегодня со скоростью, приближающейся к скорости света!

Если бы в одно (далеко не прекрасное!) мгновение полупроводники «отказались от работы», то сразу погасли бы экраны компьютеров и телевизоров, замолчали бы мобильные телефоны, а искусственные спутники потеряли бы управление. Остановились бы тысячи производств, потерпели бы аварии самолеты и корабли, а также миллионы автомобилей.

Носители заряда в полупроводниках

Электронная проводимость. В полупроводниках валентные электроны «принадлежат» двум соседним атомам. Например, в кристалле кремния у каждой пары атомов-соседей есть два «общих» электрона. Схематически это изображено на рисунке 60.1 (здесь изображены только валентные электроны).

Связь электронов с атомами в полупроводниках слабее, чем в диэлектриках. Поэтому даже при комнатной температуре тепловой энергии некоторых валентных электронов достаточно для того, чтобы они оторвались от своей пары атомов, став электронами проводимости. Так в полупроводнике возникают отрицательные носители заряда.

Проводимость полупроводника, обусловленную перемещением свободных электронов, называют электронной.

Дырочная проводимость. Когда валентный электрон становится электроном проводимости, он освобождает место, в котором возникает нескомпенсированный положительный заряд. Это место называют дыркой. Дырке соответствует положительный заряд, равный по модулю заряду электрона.

Если на это освободившееся место перейдет валентный электрон одного из соседних атомов, то дырка переместится к тому атому, который был покинут валентным электроном. Поэтому перемещение валентных электронов на освободившиеся места можно рассматривать как движение положительных носителей заряда – дырок (рис. 60.2).

Проводимость полупроводника, обусловленную перемещением дырок, называют дырочной.

Когда нет внешнего электрического поля, свободные электроны и дырки движутся хаотично, и поэтому тока в полупроводнике нет. Если же поместить полупроводник в электрическое поле, то под действием этого поля свободные электроны начнут двигаться в одну сторону, а дырки – в противоположную.

? 1. Объясните, почему направление тока, обусловленное движением свободных электронов, совладает с направлением тока, обусловленного движением дырок, хотя электроны и дырки движутся в противоположных направлениях.

Свободный электрон может занять одно из свободных мест, уничтожив при атом дырку. Такое взаимное уничтожение свободного электрона и дырки называют рекомбинацией.

Если в полупроводнике нет примесей, то число свободных электронов в образце равно числу дырок, так как появление каждого свободного электрона сопровождается появлением дырки. Проводимость полупроводника, обусловленную равным числом свободных электронов и дырок, называют собственной проводимостью.

Зависимость сопротивление полупроводников от температуры и освещенности

При повышении температуры число валентных электронов, имеющих энергию, достаточную для того, чтобы оставить вон атомы и стать свободными электронами, быстро увеличивается. Увеличивается соответственно и число дырок. Вследствие увеличения свободных зарядов удельное сопротивление полупроводника при повышении температуры уменьшается.

На рисунке 60.3 приведен график зависимости удельного сопротивления полупроводника от температуры.

Валентные электроны в полупроводниках могут «обрести свободу», став свободными электронами, не только вследствие повышения температуры, но и под действием света. Поэтому увеличение освещенности также уменьшает сопротивление полупроводника.

Терморезисторы (термисторы). Сильную зависимость сопротивления полупроводников от температуры используют для создания датчиков температуры, которые называют терморезисторами или, сокращенно, термисторами. Термисторы используют для создания сигнализации (например, противопожарной), дистанционного наблюдения за технологическими процессами.

Фоторезисторы. Зависимость сопротивления полупроводников от освещенности используют для создания фоторезисторов. Фоторезисторы применяют, например, в турникетах метро и в устройствах, которые защищают от травм на производстве.

Примесная проводимость полупроводников

Соотношение между количеством электронов проводимости и количеством дырок можно изменять, добавляя в полупроводник небольшие количества различных примесей (например, в процессе выращивания кристалла полупроводника из расплава).

Донорные примеси. Добавим в кристалл, состоящий из четырехвалентных атомов кремния, некоторое количество пятивалентных атомов мышьяка.

При этом один из валентных электронов каждого атома мышьяка окажется «лишним» и потому станет свободным электроном (рис. 60.4).

Примеси, атомы которых легко отдают свои валентные электроны, называют донорными. Полупроводники, в которых основными носителями заряда являются свободные электроны, называют полупроводниками n-типа.

Акцепторные примеси. Добавим теперь в кристалл кремния трехвалентные атомы алюминия.

Так как у атома алюминия есть только три валентных электрона, он будет прочно связан только с тремя атомами кремня, а четвертая связь останется незаполненной, Эту связь может заполнить валентный электрон, ушедший от одного из соседних томов кремния. Тогда на месте ушедшего валентного электрона образуется нескомпенсированный положительный заряд, то есть дырка (рис. 60.5). Итак, каждый том алюминия увеличивает количество дырок на единицу.

Примеси, которые увеличивают количество дырок, называют акцепторными. Полупроводники, в которых основные носители заряда – дырки, называют полупроводниками p-типа.

? 2. Определите с помощью таблицы Менделеева, какие из перечисленных химических элементов (индий, сурьма, фосфор, скандий, галлий) надо добавить в качестве примеси в кремний, чтобы получить полупроводник n-типа; p-типа.

Полупроводниковый диод

Рассмотрим явления, происходящие на границе раздела полупроводников n-типа и p-типа. Ее называют электронно-дырочным переходом (сокращенно n-p-переходом).

В полупроводнике n-типа концентрация свободных электронов намного больше, чем в полупроводнике p-типа. Поэтому следствие диффузии свободные электроны будут проникать в полупроводник p-типа и рекомбинировать там с дырками.

По той же причине (вследствие диффузии) дырки будут проникать в полупроводник n-типа и рекомбинировать там со свободными электронами.

В результате пограничный слой обедняется основными носителями заряда, и его сопротивление становится очень большим. Поэтому этот слой называют запирающим. На рисунке 60.6 он обведен пунктиром.

Подключим теперь полупроводник p-типа к положительному полюсу источника тока, а полупроводник n-типа – к отрицательному (рис. 60.7). На рисунке для наглядности показаны только свободные заряды, находящиеся вблизи границы раздела.

Со стороны внешнего электрического поля на дырки и свободные электроны будут действовать силы, направленные и границе раздела. Запирающий слой разрушится: дырки и свободные электроны начнут двигаться навстречу друг другу и на границе раздела рекомбинировать. При этом через границу раздела полупроводников будет идти тон. Такое подключение называют прямым.

Изменим полярность подключения источника тока (рис. 60.8). Теперь силы, действующие на свободные электроны и дырки со стороны внешнего электрического поля, направлены от границы раздела. Поэтому дырки и свободные электроны будут удаляться от границы. Запирающий слой будет расширяться, а его сопротивление будет увеличиваться. В этом случае сила тока через границу раздела полупроводников будет очень малой. Такое подключение называют обратным.

Итак, n-p-переход имеет одностороннюю проводимость: практически электрический ток может течь через него только от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа.

Устройство с односторонней проводимостью, обусловленной n-p-переходом, называют полупроводниковым диодом. На рисунке 60.9 приведена вольтамперная характеристика полупроводникового диода.

Мы видим, что при обратном подключении (пунктирная линия) сила тока намного меньше, чем при прямом.

На электрических схемах диод обозначают одним из способов, показанных на рисунке 60.10. Упирающаяся в отрезок стрела показывает направление тока через диод при прямом подключении.

На рисунке 60.11 показана простейшая электрическая схема с прямым подключением диода, а на рисунке 60.12 – с обратным.

? 3. На рисунке 60.13 изображена схема электрической цепи с двумя диодами. К точкам А и В подключают полюса источника тока с ЭДС, равной 12 В, и внутренним сопротивлением 2 Ом. Сопротивления резисторов R₁ = 2 Ом, R₂ = 4 Ом.

а) Через какой резистор пойдет ток, если к точке А подключить: отрицательный полюс источника тока? положительный?
б) Чему будет равно сопротивление всей цепи при одном и другом способе подключения?
в) Чему будет равна сила тока и мощность тока в резисторе при одном и другом способе подключения?

3. Транзистор

Транзистор состоит из трех слоев полупроводников: по краям находятся полупроводники одного типа, а между ними – очень тонкая прослойка полупроводника другого типа. На рисунке 60.14 изображен p-n-p-транзистор. Две крайние области транзистора называют эмиттером и коллектором, а среднюю область – базой.

В p-n-p-транзисторе основными носителями заряда в эмиттере и базе являются дырки. В базе же основные носители заряда – электроны, но ее делают настолько тонкой (несколько микрон), а концентрацию электронов в ней настолько малой, что практически все дырки проходят с эмиттера в коллектор сквозь базу.

Переход между эмиттером и базой делают прямым, и поэтому дырки с эмиттера диффундируют в базу, а сквозь нее в коллектор. Однако число дырок, которые прошли сквозь базу (а следовательно, и сила тока через коллектор), существенно зависит от напряжения между эмиттером и базой: чем сильнее база притягивает дырки, тем большее их число пройдет сквозь нее.

Благодаря этому малые изменения напряжения между эмиттером и базой вызывают синхронные, только во много раз большие изменения напряжения на нагрузке (резисторе R), включенной в цепь коллектора.

Таким образом, транзистор можно использовать для усиления электрических сигналов: изменяя напряжение между базой и эмиттером на сотые доли вольта, можно изменять напряжение между эмиттером и коллектором на десятки вольт. Это позволяет, например, преобразовывать чрезвычайно слабые сигналы в антеннах радиоприемников и мобильных телефонов в электрический ток, питающий динамики или наушники.

Интегральные схемы

Мы рассмотрели лишь простейшие полупроводниковые приборы – диод и транзистор.

Они являются «кирпичиками» очень сложных устройств, которые называют интегральными схемами. Такие схемы «работают» сегодня в компьютерах и телевизорах, мобильных телефонах и искусственных спутниках, автомобилях, самолетах и даже в стиральных машинах.

Обычно интегральную схему формируют на пластинке кристалла кремния, выращенного специальным способом. Такую пластинку с интегральной схемой часто называют чипом.

Фотографии некоторых чипов приведены на рисунке 60.15 рядом с линейкой, чтобы вы смогли представить их размеры. Важными преимуществами интегральных схем являются высокое быстродействие и надежность, а также дешевизна. Именно благодаря этим качествам на основе интегральных схем и удалось создать сложные, но доступные приборы, компьютеры и предметы современной бытовой техники.

4. Электрический ток в жидкостях и газах

Электрический ток в жидкостях. Как мы уже говорили, носителями электрических зарядов в электролитах (жидких проводниках) являются положительные и отрицательные ионы. При прохождении тока через электролит происходит электролиз – на электродах выделяются различные вещества.

Например, с помощью электролиза можно покрывать металлические изделия очень тонким слоем другого металла. Явление электролиза и его законы были открыты английским ученым Майклом Фарадеем. Вы изучаете их в курсе химии.

Электрический ток в газах. Носителями электрических зарядов в газах являются ионы и электроны. Существуют разные виды газовых разрядов. Например, в результате коронного разряда на металлических остриях (например, мачтах кораблей) перед грозой возникает свечение, которое называли «огнями святого Эльма» (рис. 60.16).

Примерами искрового разряда являются молнии.

Тлеющий разряд (рис. 60.17) используют в люминесцентных лампах (в том числе в энергосберегающих) и в рекламе.

Дуговой разряд (рис. 60.18) используют для создания мощных источников света и для получения высоких температур (например, при дуговой электросварке).

Дополнительные вопросы и задания

4. На рисунке 60.19 изображена схема электрической цепи с несколькими резисторами и диодами. Все резисторы имеют одинаковое сопротивление r, равное внутреннему сопротивлению источника тока. ЭДС источника тока ξ. Примите, что сопротивлением диода при прямом подключении можно пренебречь, а его сопротивление при обратном подключении считайте бесконечно большим.

а) Перенесите чертеж в тетрадь и укажите на нем цветными стрелками направление электрического тока в каждом элементе цепи.
б) Чему равно сопротивление всей цепи?
в) Чему равна мощность, выделяющаяся во внешней цепи?
г) Чему равен КПД источника?
д) Выполните задания а) – г) при другой полярности подключения того же источника тока.