Собственная и примесная проводимость полупроводников. Термо- и фоторезисторы

2. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Термо- и фоторезисторы.

Полупроводник – это класс веществ, занимающих промежуточное положение между веществами, хорошо проводящими электрический ток, и веществами, практически не проводящим электрического тока. Для них характерна сильная зависимость их свойств и характеристик от микроскопических количеств содержащихся в них примесей. Важное свойство полупроводников состоит в том, что электрический ток переносится в них не только отрицательными зарядами – электронами, но и равными им по величие положительными зарядами – дырками. Атомы в кристалле полупроводника связаны между собой с помощью электронов внешней электронной оболочки. При тепловых колебаниях атомов тепловая энергия неравномерно распределяется между электронами, образующими связи. Отдельные электроны могут получать количество тепловой энергии, достаточное для того, чтобы «оторваться» от своего атома и получить возможность свободно перемещаться в кристалле, те стать потенциальными носителями тока. Такой уход электрона нарушает электрическую нейтральность атома, у которого возникает положительный заряд, равный по величине заряду ушедшего электрона. Это вакантное место называется дыркой. Так как вакантное место может быть занято электроном соседней связи, дырка также может перемещаться внутри кристалла и являться уже положительным носителем тока. Естественно, что электроны и дырки при этих условиях возникают в равных количествах, и электропроводность такого идеального кристалла будет в равной степени определяться как положительными, так и отрицательными зарядами. Если на место атома основного полупроводника поместить атом примеси, во внешней электронной оболочке которого содержится на один электрон больше, чем у атома основного полупроводника, то такой электрон окажется как бы лишним. Достаточно в десятки раз меньше энергии, чтобы оторвать его от своего атома и превратить в свободный электрон. Такие примеси называются донорными, те отдающими лишний электрон. Введение в полупроводник примесей, внешняя электронная оболочка которого содержит меньшее количество электронов, приводит к появлению незаполненных связей, и дырка получает возможность свободно перемещаться по кристаллу. Иными словами, движение дырки – это последовательный переход электронов из одной соседней связи в другую. Такие примеси, принимающие электрон, называются акцепторными. С увеличением количества примесей того или иного типа электропроводность кристалла начинает приобретать все более выраженный электронный или дырочный характер. Электропроводимость бывает n-типа и p-типа.

Билет 25

1.   1.   Радиоактивность. Вида радиоактивных излучений и их свойства. Биологическое действие ионизирующих излучений.

2.   2.   Сила трения в быту и технике. Измерьте силу трения.

3.   3.   (Задача на использование законов электролиза)

1.   1.   Радиоактивность представляет собой самопроизвольный процесс, происходящий в атомах радиоактивных элементов. Это явление определяется как самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого; при этом происходит испускание электронов, протонов, нейтронов или ядер гелия. Виды: гамма- лучи – это очень короткие электромагнитные волны. Их длина от 10^-10 до 10^-13 м. Скорость их распространения около скорости света. Бета – лучи. Природа бета лучей была установлена раньше всех – в 1899 году. По их отклонению в электрическом и магнитных полях был измерен удельный заряд. Оказалось, что он такой же как у электрона. Значит бета лучи -–это электроны, движущиеся с огромными скоростями, очень близкими к скорости света. Альфа – частицы. Знак заряда у них положительный. Это ядро атомов гелия. Значит ее заряд 2е, а масса 4 а.е.м. Вылетающие из радиоактивных ядер альфа частицы имеют большие скорости, достигающие десятых долей скорости света, значит обладают большой энергией. Их свойства – это проникающая и ионизирующая.

Излучение вызывает ионизацию атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности. Для харак4теристики воздействия излучения вводится понятие поглощенная доза излучения. D=E/m. (грей). Самой первой единицей дозы излучения был рентген, он определяется по ионизации, производимой излучением. 1 рентген определяются как дозу рентгеновского или гамма – излучения при которой 1 кг воздуха поглощает энергию 0,878 * 10^-2. 1Р=0,01 Гр.

2.   2.   Сила трения в быту и технике. Измерьте силу трения.

Без этой силы гвозди и винты бы выскакивали из стен, ни одной вещи нельзя было бы держать в руках, никогда бы не прекращался вихрь. Звук не умолкал бы, а звучал эхом. Применяют: санки, вывозка леса по ледяной дороге( дороги с ледяными рельсами для саней: две лошади могли тащить 70 тон бревен)

Билет 26

1.   1.   Цепная реакция деления ядер урана. Ядерный реактор.

2.   2.   Механическая работа и мощность. Измерьте КПД при подъеме по наклонной плоскости.

3.   3.   (Задача на тепловое действие тока)

1. Реакция происходит под действием медленных нейтронов. У нее две важных особенности: 1. При делении каждого ядра выделяется значительная энергия. 2. Каждый акт деления сопровождается вылетом 2- 3 вторичных нейтронов, те сделать реакцию цепной – самоподдерживающейся. Управляемые цепные ядерные реакции осуществляются в ядерных реакторах. В них используются не чистые изотопы, а их смеси, например природный уран, обогащенный изотопами урана 235. С помощью специальных поглотителей нейтронов число делений в единицу объема в единицу времени поддерживается на заданном уровне. Для реакции пригодны только ядра изотопов урана с массовым числом 235. Ядра делятся под действием как быстрых, так и медленных нейтронов. Для ее осуществления необходимо, чтобы среднее число высвободившихся в данной массе нейтронов не уменьшалось с течением времени. Важное значение имеет не вызывающий деления захват нейтронов ядрами изотопа 238. После захвата образуется радиоактивный изотоп 239/92 с периодом полураспада 23 минуты. Распад происходит с испусканием электрона и образованием первого зауранового элемента – нептуния: 239/92U-239/93Np + 0/-1 e

Нептуний в свою очередь бета – радиоактивен с периодом полураспада около двух дней. Образуется плутоний. 239/93Ne-239/94Pu + 0/-1 e. Плутоний относительно стабилен, так как его период полураспада около 24000 лет.

2. Механическая работа и мощность. Измерьте КПД при подъеме по наклонной плоскости.

Элементарной работой силы на элементарном перемещении материальной точки называется скалярная физическая величина. Значение элементарной работы силы зависит от выбора системы отсчета. Единица работы – Дж. Потенциальными называются силы, работа которых зависит от начального и конечного положения движущейся материальной точки или тела и не зависит от формы траектории. При замкнутой траектории работа потенциальной силы всегда равна 0. К потенциальным силам относятся силы тяготения, силы упругости и электрические силы. Быстроту выполнения работы в технике характеризуют мощностью. Она показыввает, какая работа совершается телом в еденицу времени. Это скорость совершения работы N=A/t. Измеряется в ваттах (за 1 с выполняется работы в 1 Дж).

Билет 27

1.   1.   Поверхностное натяжение. Смачивание и капиллярность. Поверхностное натяжение в природе и технике.

2.   2.   Активное и реактивное сопротивление. Закон Ома для цепи переменного тока.

3.   3.   «ИЗМЕРТЕ УДЕЛЬНОЕ СОПРАТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКА»

1.   1.   Поверхностная энергия – это дополнительная энергия, которой обладают молекулы поверхности, в отличии от молекул внутри жидкости. П=сигма*s. Сигма – это коэффициент поверхностного натяжения. Fтн=сигма l (A=F*дельта h A=дельтаП=сигма l дельта h). Условие смачивания: сила взаимодействия молекул твердых тел гораздо больше силы взаимодействия жидкости. Капилляры – это тонкие трубочки, сосуды. h=2сигма/ро g r. (F=mg, сигма l =ро V g, сигма 2 П r = ро (П r^2 h)g. Березовый сок, полотенце, мытье пола, боронить, гидрозащита, .. с гуся, вода в сите. Коэффициент зависит от рода жидкости, при нагревании – уменьшается.

2.   2.   Активное и реактивное сопротивление. Закон Ома для цепи переменного тока.

Устройства, полностью преобразующие электрическую энергию в другие виды энергии, называют активной нагрузкой, а их сопротивление – активным сопротивлением. Предположим, что напряжение на концах цепи меняется по гармоническому закону u=Umcos wt. Как и в случае постоянного тока, мгновенное значение силы тока пропорционально мгновенному значению напряжения. Поэтому применяется закон Ома для участка цепи: i=U/R=Umcos wt/R = Im cos wt. На активном сопротивлении колебания силы тока совпадают по фазе с колебаниями напряжения.

Билет 3

1.   1.   Масса и ее измерение. Сила. Сложение сил. Второй з-н Ньютона.

2.   2.   Электрический ток в растворах и расплавов электролитов. Закон электролиза. Применение электролиза в технике.

3.   3.   «ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА»

1.   1.   Масса – физическая скалярная величина, пропорциональная отношению величины действующей на тело силы к сообщаемому ею ускорению:

m=F/a

Масса мера инертности тела. Чем больше масса, тем тело более инертно. Обозначается m, а измеряется в килограммах (кг).

Сила – физическая векторная величина,характеризующая взаимодействие тел. В системе СИ за единицу силы принимают силу, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с^2. Эту единицу называют ньютоном (Н).

Второй з-н Ньютона

Ускорение приобретаемое телом под действием на него силы прямопропорционально этой силе и обратно его массе.

Второй з-н имеет ряд особенностей:

1. Он справедлив для любых сил;

2.   2.   Сила является причиной, вызывающей ускорение;

3.   3.   Вектор ускорения соноправлен с вектором силы;

4.   4.   Если на тело действует не одна сила, то берется равнодействующая этих сил;

5.   5.   Если все действия скомпенсированы, то равнодействующая равна 0, следовательно ускорение равно 0, т.е. тело движется равномерно прямолинейно или покоится.

1 Н – это такая сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с^2.

Правило сложения сил:

1.   1.   Если слагаемые силы направлены по одной прямой, то модуль результирующей силы равен сумме модулей сил, если силы направлены в одну сторону и разности модулей сил, если силы направлены в разные стороны. Во втором случае результирующая направлена в сторону большей силы.

2.   2.   Если силы направлены под углом, то модуль результирующей силы численно равен длине диагонали параллелограмма, построенного на этих силах как на составляющих. Результирующая выходит из точки приложения слагаемых сил.

Складывать силы по правилу треугольника нельзя, тк теряется точка приложения сил.

2.   2.   Электрический ток в растворах и расплавов электролитов. Закон электролиза. Применение электролиза в технике.

Вещества, которые проводят электрический ток называются электролитами. Изменение химического состава раствора или расплава при прохождении через него электрического тока. Обусловленное потерей или присоединении электронов ионами, называют электролизом.

Майкл Фарадей установил, что при прохождении эл. Тока через электролит масса вещества m, выделившегося на электроде, пропорциональна заряду q, прошедшего через электролит:

m=k*q или m=k*I*t.

Зависимость, полученную Фарадеем, называют законом электролиза. Коэффициент пропорциональности k называется электрохимическим эквивалентом.

k=1/e*N_a * M/n ==> m=1/e*N_a * M/n *I *t.

Коэффициент k численно равен массе выделившегося на электродах вещества при переносе ионами заряда в 1 Кл:

k=m/q; [k]=кг/Кл.

Произведение заряда электрона на число Авогадро называется числом Фарадея: 96500 Кл/моль.

Число Фарадея это электрический заряд, переносимый веществом в количестве 1 моль при электролизе.

В электрическом поле ионы электролита приходят в движение: положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные к аноду. Так возникает электрический ток в электролите. При встречи положительного и отрицательного ионов, происходит их соединение – рекомбинация.

С помощью электролиза из солей и оксидов получают многие металлы. Электролитический способ дает возможность получать вещества с малым количеством примесей. Путем электролиза можно наносить тонкие слои металлов, эти слои могут служить защитой изделия от окисления. Такой способ называется – гальваностегией.

При длительном пропускании тока, получается толстый слой металла, который может быть отделен с сохранением формы – гальванопластика. Явление электролиза лежит в основе принципа действия кислотных и щелочных аккумуляторов, где используют обратимость процесса электролиза.

Билет 4

1.   1.   Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Свободное падение тел. Вес тела. Невесомость.

2.   2.   Линзы. Построение изображения в тонких линзах. Оптическая сила линзы. Формула тонкой линзы.

3.   3.   Задача на движение заряженной частицы в магнитном поле.

1.   1.   Закон всемирного тяготения:

Все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно проп. Квадрату расстояния между ними. Эту силу называют силой тяготения.

F=G*m1*m2/r^2, где G- коэффициент пропорциональности- гравитационная постоянная. [G]=6.67 * 10^-11 Н*м^2/кг^2.

Границы применимости:

1.   1.   только для м.т.

2.   2.   тел, имеющих форму шара

3.   3.   шара большого радиуса, взаимодействующего с телами, размеры которых много меньше размеров шара.

Закон неприменим, например, для взаимодействия бесконечного стержня и шара.

Сила тяжести – это сила с которой Земля притягивает к себе тело. Пропорциональна массе тела и сообщает ему ускорение свободного падения.

g=G*M/r^2, те g не зависит от массы, но зависит от высоты тела над Землей, от широты места (Земля не инерциальная система отсчета, от породы земной коры, от формы Земли.

Сила тяготения и сила тяжести носят гравитационный характер.

Свободное падение тела является частным случаем равноускоренного движения, при условии, что ускорение а<=g, где g –ускорени свободного падения.

·     ·     Свободным паденим называется такое движение тела, при котором м.т. (тело) движется под действующей только силы тяжести, при этом сопротивление воздуха не учитывается.

При движении тела вверх применимы все формулы для равнозамедленного движения; всегда есть начальная скорость, а конечная при таком движении обращается в О.

Вес тела – это сила. С которой тело действует на опору или подвес, вследствие притяжения его к Земле.

На покоящееся тело действует сила тяжести и сила реакции опоры, эта сила упругости и есть вес тела (по третьему з-н Ньютона).

Когда тело совершает свободное падение (a=g), то взаимодействие между телом и опорой отсутствует и вес тела равен 0. Это случай полной невесомости.

Может наблюдаться в следующих случаях:

1. при движении когда совпадают направления начальной скорости и ускорения

2.   2.   при движении, когда начальная скорость и ускорение противоположны

3. движение спутника по орбите

4.   4.   когда тело находится между Землей и Луной

5. лженевесомость наблюдается в воде.

2.   2.   Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.

Тонкой, если ее толщина мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей, в противном случае – толстой.

Оптическая сила – это величина, обратная фокусному расстоянию

 D=1/F

Измеряется в диоптриях. 1 диоптрий – это оптическая сила такой линзы, фокусное расстояние которой 1 м.

Билет 5

1.   1.   Третий з-н Ньютона. Импульс тела, з-н сохранения импульса. Реактивное движение в природе и технике.

2.   2.   Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля катушки с током.

3.   3.   (Первый з-н термодинамики)

Третий закон Ньютона. В инерциальной системе отсчета силы взаимодействия двух тел равны по модулю и направлены в противоположные стороны. Третий закон отражает факт равноправия взаимодействующих тел.

Свойство тела сохранять свою скорость при отсутствии взаимодействий с другими телами называется инертностью. Физическая величина, являющаяся мерой инертности тела в поступательном движении, называется инертной массой. В механике Ньютона считается, что: а) масса тела равна сумме масс всех частиц (или материальных точек), из которых оно состоит; б) для данной совокупности тел выполняется закон сохранения массы: при любых процессах, происходящих в системе тел, ее масса остается неизменной.

Силой называется векторная физическая векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел или полей.

Законы сохранения в механике. Импульсом вектора р₁ материальной точки называется векторная величина, равная произведению массы точки на скорость вектора v ее движения. Знание закона сохранения импульса дает возможность выполнить расчеты результата взаимодействия тел, когда значения действующих сил неизвестны.

Импульс может сохраняться только в изолированной системе. Замкнутая система тел – это совокупность тел, взаимодействующих между собой, но не взаимодействующих с другими телами. Закон сохранения импульса в механике является следствием второго и третьего законов Ньютона.

Геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых движениях и взаимодействующих тел этой системы.

………………..

2.   2.   Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля катушки с током.

Если по катушке идет переменный ток, то магнитный поток, пронизывающий катушку, изменяется. Поэтому в проводнике, по которому идет переменный электрический ток, возникает ЭДС индукции. При самоиндукции проводящий контур имеет двоякую роль: по нему протекает ток, вызывающий индукцию, и в нем же появляется ЭДС индукции. Изменяющееся магнитное поле индуцирует ЭДС в том проводнике, по которому течет ток, создающий это поле. По правилу Ленца в момент нарастания тока напряженность вихревого электрического поля направлена против тока. Следовательно. В этот момент вихревое поле препятствует нарастанию тока. И наоборот, в момент уменьшения тока его поддерживает вихревое поле. Это приводит к тому, что при замыкании цепи, содержащей постоянную ЭДС, определенное значение силы тока устанавливается не сразу, а постепенно, с течением времени. С другой стороны, при отключении источника тока в замкнутых контурах прекращается не мгновенно. Возникающая ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника, так как изменение тока и его магнитного поля при отключении источника происходит очень быстро.

Явление самоиндукции – это частный случай явления электромагнитной индукции, поэтому ЭДС самоиндукции можно выразить по формуле: E= - Ф/t. Но изменение магнитного потока Ф пропорционально изменению силы тока в контуре: Ф~I, или Ф=L*I, где L-индуктивность. Следовательно, формула для ЭДС самоиндукции будет иметь вид: E= -L *I/t, где I/t – величина, характеризующая скорость изменения силы тока в цепи. Иначе говоря, ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы тока в цепи.

Индуктивность равна отношению ЭДС самоиндукции к скорости изменения тока в цепи.

L=E/ I/t. В СИ за единицу индуктивности принимают индуктивность такого проводника, в котором при изменении силы тока со скоростью 1 А/с возникает ЭДС самоиндукции в 1 В. Эта единица индуктивности называется 1 генри (Гн): 1 Гн= В/ А/с= В*с/А

Опытным путем установлено, что индуктивность зависит от длины и формы проводника, а также от магнитных свойств лкружающей проводник среды.

По закону сохранения энергии, энергия тока равна той энергии, которую должен затратить источник тока на создание тока. При замыкании электрической цепи. Содержащей постоянную электродвижущуюся силу (ЭДС), энергия источника тока первоначально расходуется на создание тока,тое сть на приведение электронов в упорядочное движение и образование связанного с током магнитного поля, а также частично на увеличение внутренней энергии проводника. После установления постоянного значения силы тока энергия источника расходуется исключительно на выделение теплоты. Энергия тока при этом уже не изменяется. Для создания тока необходимо затрачивать энергию, т.е. совершать работу, так как при замыкании электрической цепи, когда сила тока начинает нарастать, в проводнике появляется вихревое электрическое поле, направленное против того электрического поле, которое создается в проводнике благодаря источнику тока. Чтобы сила тока равной определенному значению, источник тока должен совершить работу против сил вихревого поля. Эта работа и идет на увеличение энергии магнитного поля тока. При размыкании электрической цепи ток исчезает, и вихревое поле совершает положительную работу. Выделяется запасенная током энергия. Это обнаруживаетя по мощьной искре, возникающей при размыкании цепи с большой индуктивностью. По онологии с кинетической энергией, энергия магнитного поля тока равна: W=LI^2/2.

Билет 6

1.   1.   Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии в механике. Вычислите потенциальную энергию тела в поле силы тяжести в заданной системе отсчета.

2.   2.   Непрерывный и линейчатый спектры. Спектры испускания и поглощения. Спектральный анализ и его применение.

3.   3.   (задача на работу и мощность тока)

1. Энергией – называется скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие.

Кинетическая энергия материальной точки или тела является мерой их механического движения, зависящей от скоростей, зависящей от скоростей их движения в данной инерциальной системе отсчета. Кинетическая энергия – это энергия движения, зависящая от массы тела и скорости его движения. Любое движущееся тело обладает кинетической энергией. Экспериментально установлено, что по совершенной работе можно судить об изменении кинетической энергии. На основании этого утверждения можно получить точную математическую формулу кинетической энергии. Будем считать, что единственным результатом работы силы на пути будет сообщение телу кинетической энергии: Е=А, но А=F*S, а F= ma. Из кинематики известно, что путь при равноускоренном движении при начальной скорости равной 0 рассчитывается по формуле S=V^2/2a,

От сюда получаем E=FS=maV^2/2a=mV^2/2. Кинетическая энергия равна работе, поэтому измеряется в Дж.

Теорема о кинетической энергии: изменение кинетической энергии тела при его переходе из одного состояния в другое равно работе всех сил, действующих на это тело. Работа любых сил является мерой измерения кинетической энергии тела. Действие сил, работа которых на данном участке траектории положительна, приводит к увеличению кинетической энергии тела (и наоборот). Потенциальной энергией называется энергия, которая определяется взаимным расположением тел или частей одного тела.

Потенциальная энергия тела, поднятого над Землей, - это энергия взаимодействия тела и Земли с помощью гравитационных сил. Потенциальная энергия – это величина, равная произведению массы тела на модуль ускорения свободного падения и на высоту тела над поверхностью Земли.

Потенциальной энергией называется часть механической энергии, зависящая от взаимного расположения ее частей и их положения во внешнем силовом поле.

Закон сохранения механической энергии: механическая энергия системы, в которой действуют потенциальные силы, сохраняется постоянной в процессе движения системы.