3.3 Электрический ток в различных средах
3.3.1 Электрическая проводимость веществ. Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость. Полупроводники и их применение
Электрическая проводимость вещества зависит концентрации в нём свободных зарядов, их вида, а также от условий внешней среды, в которой вещество находится.
Электрический ток может протекать через все тела – твёрдые, жидкие газообразные и даже через вакуум. Электрической проводимостью вещества называют его способность проводить электрический ток под действием электрического поля. Чем больше концентрация свободных зарядов в веществе, тем меньше величина его удельного сопротивления и тем больше его электрическая проводимость. Вещества, обладающие большой проводимостью называют проводниками, а вещества с малой электрической проводимостью – диэлектриками.
Носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны, и поэтому такую проводимость называют электронной. Металлы имеют наибольшую проводимость среди проводников. Так как работа тока пропорциональна сопротивлению проводника, то для минимизации потерь при передаче электрической энергии всегда используют металлические провода. По той же причине из металлической проволоки изготовляют обмотки различных электромоторов, генераторов, трансформаторов и электроизмерительных приборов.
Сопротивление металлических проводников увеличивается с ростом температуры. Это явление можно объяснить тем, что при нагреве возрастает амплитуда хаотических (тепловых) колебаний атомов, а значит, увеличивается число столкновений этих атомов со свободными электронами, которые упорядоченно движутся под действием электрического поля. Зависимость сопротивления R проводника от температуры имеет следующий вид (см. рис. 12а):
R = R0.{1+a(T-T0)} , (81)
где R и R0 – сопротивление проводника при температурах T и T0, соответственно, а a - постоянная, называемая температурным коэффициентом сопротивления данного вещества. Если в качестве R0 взять сопротивление проводника при T0 =273 К, то у всех чистых металлов a » 1/273 K-1. Например, у вольфрама a = 4,8.10-3 K-1. Это значит, что сопротивление вольфрамовой нити лампы накаливания, раскалённой до 2700 К, более чем в 10 раз превышает её сопротивление при комнатной температуре.
При очень низких температурах наблюдается замечательное явление – сопротивление многих металлов скачком обращается в нуль. Это явление, названное сверхпроводимостью, было открыто голландским физиком Камерлинг-Оннесом в 1911 году, когда он измерял сопротивление ртути при охлаждении её в жидком гелии. Оказалось, что сопротивление ртути при охлаждении сначала плавно уменьшалось, но когда её температура достигала 4 К, сопротивление скачком падало до нуля (рис. 12б). Температура, при которой сопротивление резко падает до нуля, называют критической. В настоящее время известно много сверхпроводников с самыми разными критическими температурами – от долей градуса К до примерно 100 К.
Рисунок 12 (а) – Зависимость сопротивления металлического проводника от температуры; (б) – зависимость сопротивления ртути вблизи критической температуры.
Проводимость полупроводников сильно зависит от примесей и внешних условий (температура, давление, освещение и пр.).
Полупроводниками называют вещества, электрическая проводимость которых при обычных условиях имеет промежуточное значение между проводимостью металлов и хороших диэлектриков. К полупроводникам относятся такие вещества, как германий (Ge), кремний (Si), галлий (Ga), мышьяк (As), индий (In), а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавы металлов.
В кристалле Si, типичном полупроводнике, каждый атом своими валентными электронами взаимодействует с четырьмя соседними атомами (рис. 13а). Эти валентные электроны прочно связаны с кристаллической решёткой, и только при изменении внешних условий, например, нагреве кристалла они могут становиться свободными. Таким образом, в отличие от металлов, удельное сопротивление полупроводников уменьшается с повышением температуры.
Ничтожные примеси (около 0,001 %) могут в сотни тысяч раз уменьшить удельное сопротивление полупроводника. Если, например, в кристалле Si появляются пятивалентные атомы As, то пятый валентный электрон примесных атомов не участвует в связях с атомами кремния и становится свободным, создавая в полупроводнике электронную проводимость (рис. 13б). Примеси, создающие такую проводимость называют донорными (отдающими), а полупроводники с донорными примесями – полупроводниками n-типа (от слова negative – отрицательный).
Присутствующие в кристалле Si атомы трёхвалентных элементов, например, Ga, тоже увеличивают проводимость кристалла, т.к. для образования нормальных связей с четырёхвалентными атомами Si атому Ga необходимо иметь четыре валентных электрона, а у него их только три. Это вакантное место с недостающим электроном называют дыркой (рис. 13в). Отсутствие электрона в области дырки делает это место положительно заряженным относительно тех мест полупроводника, где примесей нет. Если в дырку случайно попадает электрон расположенного поблизости атома, то данная дырка исчезает, но атом, потерявший электрон, становится обладателем дырки. Таким образом, дырка может двигаться от одного атома к другому. Электрическое поле, приводя к упорядоченному движению электронов, вызывает движение дырок в противоположном направлении. Такой тип электрической проводимости называют дырочной. Примеси, создающие дырочную проводимость называют акцепторными (принимающими), а полупроводники с акцепторными примесями – полупроводниками p-типа (от слова positive – положительный).
В большинстве полупроводниковых приборов используются явления, происходящие на границе полупроводников p- и n-типа (p-n-переход). Если напряжённость поля направлена от полупроводника p-типа к n-типу (рис. 13г, верх), то дырки в полупроводнике p-типа будут двигаться до самого p-n-перехода. Одновременно с этим в полупроводнике n-типа_к p-n-переходу будут двигаться свободные электроны. Встречаясь у p-n-перехода, свободные электроны и дырки будут уничтожать друг друга. Очевидно, что при таком включении p-n-перехода его сопротивление зависит от концентрации дырок в полупроводнике p-типа и концентрации свободных электронов в полупроводнике n-типа. Обе эти концентрации высоки, и поэтому сопротивление p-n-перехода оказывается малым.
Если изменить направление вектора напряжённости на обратное (рис. 13г, низ), то дырки и свободные электроны будут двигаться от p-n-перехода, создавая около p-n-перехода зону, лишённую носителей тока. Поэтому при таком включении p-n-перехода, его сопротивление очень велико (сравни I1 и I2 на рис. 13г). Таким образом, закон Ома, справедливый для металлических проводников и растворов электролитов, не соблюдается для p-n-перехода.
Способность p-n-перехода хорошо пропускать ток только в одном направлении применяется в полупроводниковых приборах, служащих для преобразования переменного тока в постоянный (выпрямления тока). Сочетание нескольких p-n-переходов позволяет создавать транзисторы - полупроводниковые приборы, используемые для усиления и преобразования электрических сигналов.
Рисунок 13 - Структура связей между атомами Si (а) и примесными атомами As (б, кружком обозначен свободный электрон) и Ga (в, кружком обозначена дырка); (г) – зависимость величины тока через p-n-перехода от его направления.