11.3 Электрический ток в полупроводниках

Существенным отличием полупроводников от проводников (металлов) является двойственная природа носителей заряда в полупроводниках. Выбрасывание электрона из валентной зоны в зону проводимости означает не только появление электрона обеспечивающего ток в веществе, а также появление в ранее заполненной зоне дырки –вакантного места, на которое могут переходить другие электроны заполненной зоны. При возникновении электрического поля в движение придут электроны и дырки, которые будут перемещаться как положительные заряды. Соответствующие им токи (проводимости) называются электронные и дырочные (n – проводимость и р – проводимость). Отметим, что число дырок равно числу электронов перешедших в зону проводимости.

Время жизни электронов и дырок ограничено, т.к. электроны могут возвращаться из зоны электронной проводимости на вакантные уровни нижней зоны. При этом происходит рекомбинация электрона и дырки. τ_ср (время жизни) свободных носителей тока зависит от разных причин. При постоянной концентрации носителей в веществе существует динамическое равновесие. Электропроводность химически чистого полупроводника называют собственной проводимостью. В практическом применении полупроводников большее значение имеют примесные полупроводники. Ничтожные количества примесей резко меняют электрические свойства полупроводников. Под примесями понимают дефекты в полупроводниках: атомы других элементов, нарушающие периодичность кристаллической решетки; наличие атома того же элемента не в узле, а между узлами (междоузлия); отсутствие атома вообще и т.д.

Вопросы для самоконтроля:

1) Контактная разность потенциалов?

2) Явление Пельтье, Зеебека и Томсона?

3) Электронные и дырочные токи?

4) Есть ли отличие в перемещении свободного электрона и электрона в периодическом поле решетки?

5) Какие дефекты в полупроводниках вы знаете?

Список литературы

Основная

1. Фирганг, Е.В. Руководство к решению задач по курсу общей физики. Учебное пособие 4-е издание. / С.-Петербург: 2009г.- 352с.

Дополнительная

1. Грабовский, Р.И. Курс физики. 6-е изд. / Р.И. Грабовский. – СПБ. : Издательство «Лань», 2002. – 608 с

Лекция 12

МАГНЕТИЗМ. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

12.1 Постоянное магнитное поле. Рамка с током.

Направление магнитного поля. Макротоки и микротоки

В XIX веке опытным путем были исследованы законы взаимодействия постоянных магнитов и проводников, по которым пропускался электрический ток. Опыты показали, что подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, так и в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, которое называется магнитным. Были установлены два экспериментальных факта: магнитное поле действует на движущиеся заряды, движущиеся заряды создают магнитное поле. Этим магнитное поле существенно отличается от электростатического, которое действует как на движущиеся, так и на неподвижные заряды. Магнитное поле не действует на покоящиеся заряды.

Опыт показывает, что характер воздействия магнитного поля на ток зависит от формы проводника, по которому течет ток; от расположения проводника и от направления тока. За положительное направление нормали принимается направление поступательного движения правого винта, головка которого вращается в направлении тока, текущего в рамке.

Магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие, поворачивая ее определенным образом. Это свойство используется для выбора направления магнитного поля.

За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль к свободно подвешенной рамке с током, или направление, совпадающее с направлением силы, действующей на северный полюс магнитной стрелки, помещенный в данную точку поля.

Макроскопические токи - электрические токи, протекающие по проводникам в электрических цепях и микроскопические токи – обусловлены движением электронов в атомах и молекулах. Намагниченность постоянных магнитов является следствием существованием в них микротоков.

Внешнее магнитное поле оказывает ориентирующее, упорядочивающее действие на эти микротоки. Например, если вблизи какого-то тела поместить проводник с током (макроток), то под действием его магнитного поля микротоки во всех атомах определенным образом ориентируются, создавая в теле дополнительное магнитное поле. Вектор магнитной индукции характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро и микротоками. Поэтому, при одном и том же макротоке, вектор в различных средах будет иметь разные значения. Магнитное поле макротока описывается вектором напряженности магнитного поля .

В среде магнитное поле макротоков усиливается за счет поля микротоков среды. Для однородной изотропной среды вектор магнитной индукции: ,где - магнитная постоянная, –магнитная проницаемость среды, безразмерная величина, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков усиливается за счет поля микротоков среды. Подобие векторных характеристик электростатического и магнитного полей.

Вектор магнитной индукции B- аналог вектора напряженности электростатического поля E. Эти величины определяют силовые действия этих полей и зависят от свойств среды.

Аналогом вектора электрического смещения D является вектор напряженности Hмагнитного поля. Для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом.