Полупроводники.

0

В любом веществе носителями электрического тока являются электроны, наиболее удалённые от ядра атома и образующие как бы его внешнюю электронную оболочку. В металлах эти электроны обладают большей свободой перемещения между атомами.

В веществах, не проводящих тока, — диэлектриках — все электроны прочно связаны с атомами и не обладают свободой перемещения. Ток через эти вещества не может проходить, так как в них нет движения электронов.

Помимо проводников и диэлектриков, имеется большая группа веществ, обладающих промежуточными свойствами, которые нельзя отнести ни к проводникам, ни к диэлектрикам. Эти вещества называемые полупроводниками, в отличие от диэлектриков проводят ток, но их электропроводность в сотни тысяч, миллионы и миллиарды раз меньше электропроводности проводников. К полупроводникам относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, мышьяк и другие), а также огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего мира являются полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

Основные свойства полупроводников

Необходимо отметить основные свойства полупроводников:

  • электропроводность полупроводников обычно существенно ниже, чем металлов. Прохождение тока в полупроводнике, как ив металле, связано с перемещением электронов под действием приложенного напряжения. При этом количество электронов, которые свободно перемещаются сравнительно небольшое, чем и объясняется малая электропроводность этих веществ. На несколько миллионов или миллиардов атомов полупроводника приходятся лишь несколько атомов, от каждого из которых отрывается электрон, имеющий свободу движения в пространстве между атомами.
  • электропроводность полупроводников обычно быстро растет с ростом температуры — у металлом обычно снижается (и зависимость слабее). При нагревании количество электронов разрывающих свои связи с атомами, увеличивается. Состояние атома, потерявшего один из электронов называется дыркой. В атоме, от которого отделился электрон, нарушается равновесие положительного и отрицательного заряда. Следовательно, в результате появления дырки, атом превращается в положительный ион. Если свободный электрон, движущийся внутри полупроводника, сближается с положительным ионом, он может притягиваться к нему и заполнять ту из его связей с соседними атомами, которая ранее оказалась разорванной в результате ухода одного из электронов. Такой процесс называется рекомбинацией. В результате рекомбинации атом вновь становится нейтральным в электрическом отношении и присоединившийся к нему электрон теряет свободу движения внутри вещества. В полупроводнике при нормальной температуре процессы ионизации и рекомбинации происходят повсеместно, в результате чего в нём в каждый момент времени имеется некоторое количество освободившихся и ещё не рекомбинировавших электронов. Количество электронов зависит от температуры.
  • электропроводность полупроводников исключительно сильно зависит от их чистоты (от концентрации примесей) — и обычно растет с ведением примесей (у металлов зависимость слабая и обычно другого знака). Если германий, кремний или другой полупроводник не содержит примеси другого вещества, то при высвобождении каждого электрона образуется дырка. Количество свободных электронов равно в этом случае количеству дырок. При введении в полупроводник некоторых примесей можно получить сравнительно большое количество свободных электронов при почти полном отсутствии дырок или, наоборот, большое количество дырок при очень малом числе свободных электронов. Следовательно, изменяя количество примеси в полупроводнике, можно изменять его электропроводность.
  • на электропроводность полупроводников влияет облучение светом или ионизирующей радиацией — для металлов подобное влияние практически отсутствует. Переход электронов в свободное состояние или образование дырок происходит не только под воздействием тепла, но и в результате воздействия других видов энергии, таких, как световая, энергия потока электронов, ядерных частиц. Увеличение количества свободных электронов или дырок проявляется повышением электропроводности и возникновением тока. У многих полупроводников связь между электронами и атомами настолько незначительна, что лучистой энергии света вполне достаточно для перевода электронов в свободное состояние. Повышение электропроводности, вызванное светом, носит название фотопроводимости, а основанные на этом явлении приборы называют фотосопротивлениями.

Полупроводниковые термосопротивления

Полупроводниковые термосопротивления, называемые также терморезисторами — это полупроводниковое сопротивление (полупроводниковый резистор), в котором используется зависимость сопротивление полупроводникового материала от температуры. У терморезистора значение температурного коэффициента сопротивления значительно больше, чем у обычного резистора (у металлов порядка тысячных долей процента, а у терморезисторов — от долей процентов до нескольких процентов).

Терморезисторы бывают как с положительным ТКС (термисторы) так и с отрицательным ТКС (позисторы). Часто их называют NTC-термисторы (Negative temperature coefficient) и PTC- позисторы (Positive temperature coefficient) соответственно.


Терморезисторы Зависимость
Зависимость терморезисторов от температуры

Термистор

Термистор является чувствительным терморезистором, в котором при увеличении температуры сопротивление уменьшается (примерно, при увеличении температуры на 1 ºС, сопротивление уменьшается на 4%). При использовании термисторов в мощных устройствах, он работает как отрицательное сопротивление, то есть при увеличении тока напряжение на нем уменьшается. Термистор достаточно широко применяется в электронике там, где необходим контроль за температурным режимом. Прежде всего это касается компьютерной техники, аппаратуры передачи данных, высокопроизводительных ЦПУ, высокоточного промышленного оборудования. В качестве примера можно привести многие современные блоки питания, где термистор используется в качестве ограничителя пускового тока. При включении блока питания в сеть, происходит заряд емкости, что обуславливается протеканием в первичной цепи большого тока. Термистор ограничивает ток, то есть изменяется сопротивление термистора в зависимости от проходящего тока (термистор нагревается). Восстановление первичного сопротивления термистора происходит через несколько минут, когда он остынет.

Основные направления применения:

  • температурная компенсация в электронных цепях;
  • ограничение пускового тока (моторы, трансформаторы);
  • измерение температуры (бытовая, автомобильная, промышленная электроника).

Позистор

Позистор так же как и термистор, является чувствительным нелинейным резистором. Только в отличие от термистора, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) у позистора положителен. Так же в отличие от термистора (имеет плавное изменение сопротивления) для позистора характерно резкое изменение сопротивление (на несколько порядков). Позисторы применяются в разных областях. Работа в качестве предохранителейв системах защиты от перегрузок тока и напряжения (например, защита первичной обмотки трансформатора). Автостабилизирующие элементы в схемах размагничивания и задержки кинескопов (позисторы размагничивают теневую маску кинескопа путем уменьнения тока, проходящего через размагничивающую катушку за короткий период времени). Использование в качестве пусковых устройств люминесцентных ламп.

Основные направления применения:

  • защита от бросков тока в автомобильной, промышленной и бытовой электроники (напр. защита моторов компрессоров в холодильниках от стартового тока);
  • самовосстанавливающиеся предохранители для защиты электронного оборудования от повреждений при увеличении тока;
  • защита телекоммуникационных линий (напр. телефонных), в системах освещения ( напр. энергосберегающих );
  • саморегулирующиеся нагревательные элементы, напр. для нагрева жидкости в омывательном бачке автомобиля;
  • схемы размагничивания ( degaussing ) электронных трубок цветных телевизоров;
  • датчики уровня жидкости.

Скажи спасибо автору нажми на кнопку социальной сети

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

code