Vortrag zum Thema „Leiter im elektrischen Feld“. Vortrag zum Thema „Leiter und Dielektrika“ Vortrag zum Thema Leiter im elektrostatischen Feld

Leiter in einem elektrischen Feld. Freie Ladungen – geladene Teilchen mit demselben Vorzeichen, die sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen können. Gebundene Ladungen – entgegengesetzte Ladungen, die in der Zusammensetzung von Atomen (oder Molekülen) enthalten sind und sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes nicht bewegen können unabhängig voneinander Substanzen Leiter Dielektrika Halbleiter

Jedes Medium schwächt die elektrische Feldstärke

Die elektrischen Eigenschaften eines Mediums werden durch die Beweglichkeit geladener Teilchen darin bestimmt

Leiter: Metalle, Lösungen von Salzen, Säuren, feuchte Luft, Plasma, menschlicher Körper

Dabei handelt es sich um einen Körper, der in seinem Inneren ausreichend freie elektrische Ladungen enthält, die sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen können.

Bringt man einen ungeladenen Leiter in ein elektrisches Feld, beginnen sich die Ladungsträger zu bewegen. Sie sind so verteilt, dass das von ihnen erzeugte elektrische Feld dem äußeren Feld entgegengesetzt ist, d. h. das Feld im Inneren des Leiters wird geschwächt. Die Ladungen werden so lange umverteilt, bis die Bedingungen für das Ladungsgleichgewicht auf dem Leiter erfüllt sind, das heißt:

Ein in ein elektrisches Feld eingeführter Neutralleiter unterbricht die Spannungsleitungen. Sie enden bei negativen induzierten Ladungen und beginnen bei positiven

Das Phänomen der räumlichen Ladungstrennung wird als elektrostatische Induktion bezeichnet. Eigenes Feld induzierter Ladungen mit hochgradig kompensiert das äußere Feld im Inneren des Leiters genau.

Wenn der Dirigent hat innerer Hohlraum, dann fehlt das Feld im Hohlraum. Dieser Umstand wird bei der Organisation des Schutzes von Geräten vor elektrischen Feldern genutzt.

Die Elektrifizierung eines Leiters in einem äußeren elektrostatischen Feld durch die Trennung positiver und negativer Ladungen, die bereits in gleichen Mengen darin vorhanden sind, wird als Phänomen der elektrostatischen Induktion bezeichnet, und die umverteilten Ladungen selbst werden als induziert bezeichnet. Dieses Phänomen kann zur Elektrifizierung ungeladener Leiter genutzt werden.

Ein ungeladener Leiter kann durch Kontakt mit einem anderen geladenen Leiter elektrisiert werden.

Die Ladungsverteilung auf der Oberfläche von Leitern hängt von ihrer Form ab. An den Punkten ist die maximale Ladungsdichte zu beobachten, innerhalb der Vertiefungen ist sie auf ein Minimum reduziert.

Die Eigenschaft elektrischer Ladungen, sich in der Oberflächenschicht eines Leiters zu konzentrieren, hat Anwendung gefunden, um durch elektrostatische Methoden erhebliche Potentialunterschiede zu erzielen. In Abb. Dargestellt ist das Diagramm eines elektrostatischen Generators zur Beschleunigung von Elementarteilchen.

Kugelleiter 1 großer Durchmesser befindet sich auf einer isolierenden Säule 2. Ein geschlossenes dielektrisches Band 3 bewegt sich innerhalb der Säule und treibt Trommeln 4 an. Von einem Hochspannungsgenerator wird eine eklektische Ladung über ein System spitzer Leiter 5 auf das Band übertragen; eine Erdungsplatte 6 befindet sich auf der Rückseite des Bandes. Ladungen werden durch ein Punktsystem 7 vom Band abgeführt und fließen nach unten auf die leitfähige Kugel. Die maximale Ladung, die sich auf einer Kugel ansammeln kann, wird durch den Leckstrom von der Oberfläche des kugelförmigen Leiters bestimmt. In der Praxis ist es mit Generatoren ähnlicher Bauart mit einem Kugeldurchmesser von 10–15 m möglich, eine Potentialdifferenz in der Größenordnung von 3–5 Millionen Volt zu erreichen. Um die Ladung der Kugel zu erhöhen, wird die gesamte Struktur manchmal in eine mit Druckgas gefüllte Box gelegt, wodurch die Ionisationsintensität verringert wird.

http://www.physbook.ru/images/0/02/Img_T-68-004.jpg

http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/elmag/uchpos/text/2_2.html

http://www.ido.rudn.ru/nfpk/fizika/electro/course_files/el13.JPG

LEITER UND DIELEKTRIK IN EINEM ELEKTRISCHEN FELD

Grundkurs


  • Leiter sind Stoffe, die freie elektrische Ladungen enthalten, die sich unter dem Einfluss eines beliebig schwachen elektrischen Feldes bewegen können.

Dirigenten

IONISIERT

GASE

METALLE

ELEKTROLYTE




Elektrostatischer Schutz– ein Phänomen, nach dem es möglich ist, ein elektrisches Feld abzuschirmen, indem man es in einer geschlossenen Hülle aus elektrisch leitendem Material (z. B. Metall) „versteckt“.

Elektrostatischer Schutz.


Das Phänomen wurde 1836 von Michael Faraday entdeckt. Er bemerkte, dass ein äußeres elektrisches Feld nicht in das Innere eines geerdeten Metallkäfigs gelangen konnte. Arbeitsprinzip Faradaysche Käfige liegt darin, dass sich im Metall befindliche freie Elektronen unter dem Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes zu bewegen beginnen und auf der Zelloberfläche eine Ladung erzeugen, die dieses äußere Feld vollständig kompensiert.




Dielektrika (oder Isolatoren) sind Stoffe, die Elektrizität (im Vergleich zu Leitern) relativ schlecht leiten.

  • In Dielektrika sind alle Elektronen gebunden, d. h. sie gehören zu einzelnen Atomen, und das elektrische Feld reißt sie nicht ab, sondern verschiebt sie nur geringfügig, d. h. polarisiert sie. Daher kann im Inneren des Dielektrikums ein elektrisches Feld existieren; das Dielektrikum hat einen gewissen Einfluss auf das elektrische Feld

Dielektrika werden unterteilt in Polar- Und unpolar .


Polare Dielektrika

bestehen aus Molekülen, in denen die Verteilungszentren positiver und negativer Ladungen nicht zusammenfallen. Solche Moleküle können als zwei im Modul identische entgegengesetzte Punktmoleküle dargestellt werden Gebühren , in einiger Entfernung voneinander gelegen, genannt Dipol .


Unpolare Dielektrika

bestehen aus Atomen und Molekülen, in denen die Verteilungszentren positiver und negativer Ladungen zusammenfallen.


Polarisation polarer Dielektrika.

  • Die Platzierung eines polaren Dielektrikums in einem elektrostatischen Feld (z. B. zwischen zwei geladenen Platten) führt zu einer Umkehrung und Verschiebung zuvor chaotisch ausgerichteter Dipole entlang des Feldes.

Die Umkehrung erfolgt unter dem Einfluss eines Kräftepaares, das vom Feld auf zwei Dipolladungen ausgeübt wird.

Die Verschiebung von Dipolen wird Polarisation genannt. Aufgrund der thermischen Bewegung kommt es jedoch nur zu einer teilweisen Polarisation. Im Inneren des Dielektrikums kompensieren sich die positiven und negativen Ladungen der Dipole und auf der Oberfläche des Dielektrikums entsteht eine gebundene Ladung: negativ auf der Seite der positiv geladenen Platte und umgekehrt.



Polarisation unpolarer Dielektrika

Ein unpolares Dielektrikum in einem elektrischen Feld ist ebenfalls polarisiert. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes werden positive und negative Ladungen in einem Molekül in entgegengesetzte Richtungen verschoben, sodass sich die Zentren der Ladungsverteilung wie bei polaren Molekülen verschieben. Die Achse des feldinduzierten Dipols ist entlang des Feldes ausgerichtet. Auf den dielektrischen Oberflächen neben den geladenen Platten erscheinen gebundene Ladungen.


Ein polarisiertes Dielektrikum erzeugt selbst ein elektrisches Feld.

Dieses Feld schwächt das äußere elektrische Feld im Dielektrikum

Der Grad dieser Dämpfung hängt von den Eigenschaften des Dielektrikums ab.

Eine Abnahme der Stärke des elektrostatischen Feldes in einem Stoff im Vergleich zum Feld im Vakuum wird durch die relative Dielektrizitätskonstante des Mediums charakterisiert.



Leiter in einem elektrischen Feld

Dielektrika in einem elektrischen Feld

1. Es gibt freie Elektronen

1. Es gibt keine kostenlosen Ladungsträger.

2.Elektronen sammeln sich auf der Oberfläche des Leiters

2. In einem elektrischen Feld drehen sich Moleküle und Atome so, dass auf der einen Seite eine überschüssige positive Ladung im Dielektrikum entsteht und auf der anderen Seite eine negative

3. Im Inneren des Leiters herrscht kein elektrisches Feld

3. Das elektrische Feld im Inneren des Leiters schwächt sich um das ε-fache ab.

4. Ein Leiter kann in einem elektrischen Feld in zwei Teile geteilt werden, und jeder Teil wird mit unterschiedlichen Vorzeichen aufgeladen.

4. Ein Dielektrikum kann in einem elektrischen Feld in zwei Teile geteilt werden, aber jeder von ihnen ist ungeladen


Kontrollfragen

1 . Welche Stoffe werden als Leiter bezeichnet?

2Welche elektrischen Ladungen werden als kostenlos bezeichnet?

3.Welche Teilchen sind Träger freier Ladungen in Metallen?

4.Was passiert in einem Metall, das in ein elektrisches Feld gebracht wird?

5. Wie die ihm mitgeteilte Morgendämmerung über den Dirigenten verteilt wird D?


Kontrollfragen.

6. Wenn ein Leiter in einem elektrischen Feld in zwei Teile geteilt wird, wie werden diese Teile geladen?

7. Auf welchem ​​Prinzip basiert der elektrostatische Schutz?

8.Welche Stoffe werden Dielektrika genannt?

9.Welche Arten von Dielektrika gibt es? Was ist der Unterschied?

10.Erklären Sie das Verhalten eines Dipols in einem externen elektrischen Feld.


11. Wie es zur Polarisation von Dielektrika kommt.

12. Wie groß ist die Ladung jedes Teils, wenn ein Dielektrikum in einem elektrischen Feld in zwei Hälften geteilt wird?

13. Eine negativ geladene Wolke fliegt über einen Blitzableiter. Erklären Sie anhand elektronischer Konzepte, warum an der Spitze des Blitzableiters eine Ladung entsteht. Was ist sein Zeichen?







Auf der Oberfläche der Kugel schneiden Kegel kleine kugelförmige Bereiche aus, die man als flach betrachten kann. A r1r1 r2r2 S1S1 S2S2, oder Die Kegel sind einander ähnlich, da die Winkel am Scheitelpunkt gleich sind. Aus der Ähnlichkeit folgt, dass die Flächen der Basen als Quadrate der Abstände von Punkt A zu den Standorten bzw. zusammenhängen. Auf diese Weise,






Äquipotentialflächen Ein ungefährer Verlauf der Äquipotentialflächen für einen bestimmten Moment der Herzerregung ist in der Abbildung dargestellt. In einem elektrischen Feld ist die Oberfläche eines leitenden Körpers beliebiger Form eine Äquipotentialfläche. Die gestrichelten Linien zeigen Äquipotentialflächen an, die Zahlen daneben geben den Potentialwert in Millivolt an.












Dielektrizitätskonstante von Stoffen Stoff ε ε Gase und Wasserdampf Stickstoff Wasserstoff Luft Vakuum Wasserdampf (bei t=100 ºС) Helium Sauerstoff Kohlendioxid Flüssigkeiten Flüssiger Stickstoff (bei t= –198,4 ºС) Benzin Wasser Flüssiger Wasserstoff (bei t= –252, 9 ºС) Flüssiges Helium (bei t= –269 ºC) Glycerin 1,0058 1,006 1,4 1,9–2,0 81 1,2 1,05 43 Flüssiger Sauerstoff (bei t= –192,4 ºС) Transformatoröl Alkohol Ether Feststoffe Diamant Wachspapier Holz Trockeneis(bei t= –10 ºС) Paraffin Gummi Glimmer Glas Titan Barium Porzellan Bernstein 1,5 2,2 26 4,3 5,7 2,2 2,2–3,7 70 1,9–2,2 3,0 –6,0 5,7–7,2 6,0–10,4–6,8 2,8






Literatur von O. F. Kabardin „Physik. Referenzmaterialien". O. F. Kabardin „Physik. Referenzmaterialien". A. A. Pinsky „Physik. Lernprogramm für Schulen der 10. Klasse und Klassen mit vertieftem Physikstudium.“ A. A. Pinsky „Physik. Ein Lehrbuch für Schulen und Klassen der 10. Klasse mit vertieftem Physikstudium. G. Ya. Myakishev „Physik. Elektrodynamik-Kurse“. G. Ya. Myakishev „Physik. Elektrodynamik-Kurse“. Zeitschrift „Kvant“. Zeitschrift „Kvant“.



Folie 2

Leiter und Dielektrika in einem elektrischen Feld Geladene Teilchen, die sich in einem elektrischen Feld frei bewegen können, werden als freie Ladungen bezeichnet, und Stoffe, die diese enthalten, werden als Leiter bezeichnet. Leiter sind Metalle, flüssige Lösungen und geschmolzene Elektrolyte. Freie Ladungen in einem Metall sind die Elektronen der äußeren Hüllen von Atomen, die den Kontakt zu ihnen verloren haben. Diese Elektronen, sogenannte freie Elektronen, können sich frei durch den Metallkörper in jede Richtung bewegen. Unter elektrostatischen Bedingungen, also wenn elektrische Ladungen stationär sind, ist die elektrische Feldstärke im Inneren des Leiters immer Null. Wenn wir tatsächlich davon ausgehen, dass im Leiter noch ein Feld vorhanden ist, wirken auf die darin befindlichen freien Ladungen elektrische Kräfte ein, die proportional zur Feldstärke sind, und diese Ladungen beginnen sich zu bewegen, was bedeutet, dass das Feld aufhört elektrostatisch sein. Somit gibt es im Inneren des Leiters kein elektrostatisches Feld.

Folie 3

Stoffe, die keine freien Ladungen besitzen, werden Dielektrika oder Isolatoren genannt. Beispiele für Dielektrika sind verschiedene Gase, einige Flüssigkeiten (Wasser, Benzin, Alkohol usw.) sowie viele Feststoffe (Glas, Porzellan, Plexiglas, Gummi usw.). Es gibt zwei Arten von Dielektrika – polare und unpolare. In einem polaren dielektrischen Molekül befinden sich positive Ladungen überwiegend in einem Teil (dem „+“-Pol) und negative Ladungen im anderen (dem „-“-Pol). In einem unpolaren Dielektrikum sind positive und negative Ladungen gleichmäßig im Molekül verteilt. Das elektrische Dipolmoment ist eine vektorielle physikalische Größe, die die elektrischen Eigenschaften eines Systems geladener Teilchen (Ladungsverteilung) im Sinne des von ihm erzeugten Feldes und der Einwirkung externer Felder darauf charakterisiert. Das einfachste Ladungssystem, das ein bestimmtes (unabhängig von der Wahl des Ursprungs) Dipolmoment ungleich Null aufweist, ist ein Dipol (zwei Punktteilchen mit entgegengesetzten Ladungen gleicher Größe).

Folie 4

Der Absolutwert des elektrischen Dipolmoments eines Dipols ist gleich dem Produkt aus der Größe der positiven Ladung und dem Abstand zwischen den Ladungen und ist von der negativen zur positiven Ladung gerichtet, oder: wobei q die Größe der Ladungen ist , l ist ein Vektor mit dem Anfang in der negativen Ladung und dem Ende in der positiven Ladung. Für ein System aus N Teilchen beträgt das elektrische Dipolmoment: Die Systemeinheiten zur Messung des elektrischen Dipolmoments haben keinen speziellen Namen. In SI ist es einfach Kl·m. Das elektrische Dipolmoment von Molekülen wird üblicherweise in Debyes gemessen: 1 D = 3,33564·10−30 C m.

Folie 5

Dielektrische Polarisation. Wenn ein Dielektrikum in ein äußeres elektrisches Feld eingebracht wird, kommt es in ihm zu einer gewissen Umverteilung der Ladungen, aus denen die Atome oder Moleküle bestehen. Als Ergebnis einer solchen Umverteilung erscheinen überschüssige, nicht kompensierte gebundene Ladungen auf der Oberfläche der dielektrischen Probe. Alle geladenen Teilchen, die makroskopisch gebundene Ladungen bilden, sind immer noch Teil ihrer Atome. Gebundene Ladungen erzeugen ein elektrisches Feld, das im Inneren des Dielektrikums entgegengesetzt zum Vektor der äußeren Feldstärke gerichtet ist. Dieser Vorgang wird dielektrische Polarisation genannt. Infolgedessen ist das gesamte elektrische Feld innerhalb des Dielektrikums in absoluten Werten kleiner als das äußere Feld. Eine physikalische Größe, die dem Verhältnis des Moduls der äußeren elektrischen Feldstärke im Vakuum E0 zum Modul der Gesamtfeldstärke in einem homogenen Dielektrikum E entspricht, wird als Dielektrizitätskonstante des Stoffes bezeichnet:

Folie 6

Für die Polarisation von Dielektrika gibt es mehrere Mechanismen. Die wichtigsten sind Orientierung und Verformungspolarisation. Orientierungs- oder Dipolpolarisation tritt bei polaren Dielektrika auf, die aus Molekülen bestehen, bei denen die Verteilungszentren positiver und negativer Ladungen nicht zusammenfallen. Solche Moleküle sind mikroskopisch kleine elektrische Dipole – eine neutrale Kombination aus zwei Ladungen gleicher Größe und entgegengesetztem Vorzeichen, die in einiger Entfernung voneinander angeordnet sind. Beispielsweise haben ein Wassermolekül sowie Moleküle einer Reihe anderer Dielektrika (H2S, NO2 usw.) ein Dipolmoment. In Abwesenheit eines externen elektrischen Feldes sind die Achsen der molekularen Dipole aufgrund der thermischen Bewegung zufällig ausgerichtet, und zwar auf der Oberfläche des Dielektrikums und in jedem Volumenelement elektrische Ladung im Durchschnitt gleich Null. Wenn ein Dielektrikum in ein äußeres Feld eingebracht wird, kommt es zu einer teilweisen Ausrichtung molekularer Dipole. Dadurch entstehen unkompensierte makroskopisch gebundene Ladungen auf der Oberfläche des Dielektrikums, die ein zum äußeren Feld gerichtetes Feld erzeugen

Folie 7

Die Polarisation polarer Dielektrika hängt stark von der Temperatur ab, da die thermische Bewegung von Molekülen die Rolle eines Desorientierungsfaktors spielt. Die Abbildung zeigt, dass in einem äußeren Feld auf die entgegengesetzten Pole eines polaren dielektrischen Moleküls entgegengesetzt gerichtete Kräfte wirken, die versuchen, das Molekül entlang des Feldstärkevektors zu drehen.

Folie 8

Der Verformungs- (oder elastische) Mechanismus manifestiert sich bei der Polarisation unpolarer Dielektrika, deren Moleküle ohne äußeres Feld kein Dipolmoment besitzen. Bei der elektronischen Polarisation unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes werden die elektronischen Hüllen unpolarer Dielektrika verformt – positive Ladungen werden in Richtung des Vektors und negative Ladungen in die entgegengesetzte Richtung verschoben. Dadurch verwandelt sich jedes Molekül in einen elektrischen Dipol, dessen Achse entlang des äußeren Feldes gerichtet ist. Auf der Oberfläche des Dielektrikums erscheinen unkompensierte gebundene Ladungen, die ein eigenes, auf das äußere Feld gerichtetes Feld erzeugen. Auf diese Weise kommt es zur Polarisation eines unpolaren Dielektrikums. Ein Beispiel für ein unpolares Molekül ist das Methanmolekül CH4. In diesem Molekül befindet sich das vierfach ionisierte Kohlenstoffion C4– im Zentrum einer regelmäßigen Pyramide, an deren Spitzen sich Wasserstoffionen H+ befinden. Wenn ein äußeres Feld angelegt wird, wird das Kohlenstoffion aus der Mitte der Pyramide verdrängt und das Molekül entwickelt ein Dipolmoment proportional zum äußeren Feld.

Folie 9

Bei festen kristallinen Dielektrika wird eine Art Verformungspolarisation beobachtet – die sogenannte ionische Polarisation, bei der Ionen unterschiedlichen Vorzeichens, aus denen das Kristallgitter besteht, bei Anlegen eines äußeren Feldes in entgegengesetzte Richtungen verschoben werden, wie z Dadurch erscheinen gebundene (unkompensierte) Ladungen auf den Kristallflächen. Ein Beispiel für einen solchen Mechanismus ist die Polarisation eines NaCl-Kristalls, bei dem die Na+- und Cl–-Ionen zwei ineinander verschachtelte Untergitter bilden. Ohne äußeres Feld ist jede Elementarzelle eines NaCl-Kristalls elektrisch neutral und weist kein Dipolmoment auf. In einem äußeren elektrischen Feld werden beide Untergitter in entgegengesetzte Richtungen verschoben, d. h. der Kristall ist polarisiert.

Folie 10

Die Abbildung zeigt, dass ein äußeres Feld auf ein Molekül eines unpolaren Dielektrikums einwirkt und in seinem Inneren entgegengesetzte Ladungen bewegt verschiedene Seiten, wodurch dieses Molekül dem Molekül eines polaren Dielektrikums ähnelt und entlang der Feldlinien ausgerichtet ist. Die Verformung unpolarer Moleküle unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes hängt nicht von ihrer thermischen Bewegung ab, daher hängt die Polarisation eines unpolaren Dielektrikums nicht von der Temperatur ab.

Folie 11

Grundlagen der Bandtheorie von Festkörpern Die Bandtheorie ist einer der Hauptabschnitte der Quantentheorie von Festkörpern, die die Bewegung von Elektronen in Kristallen beschreibt und die Grundlage bildet moderne Theorie Metalle, Halbleiter und Dielektrika. Das Energiespektrum der Elektronen in einem Festkörper unterscheidet sich erheblich vom Energiespektrum der freien Elektronen (das kontinuierlich ist) oder dem Spektrum der Elektronen, die zu einzelnen isolierten Atomen gehören (diskret mit einem bestimmten Satz verfügbarer Niveaus) – es besteht aus einzelnen zulässigen Energiebändern getrennt durch Bänder verbotener Energien. Nach den quantenmechanischen Postulaten von Bohr kann die Energie eines Elektrons in einem isolierten Atom streng diskrete Werte annehmen (das Elektron hat eine bestimmte Energie und befindet sich in einem der Orbitale).

Folie 12

Bei einem System aus mehreren Atomen, die durch eine chemische Bindung verbunden sind, teilen sich die elektronischen Energieniveaus proportional zur Anzahl der Atome auf. Das Maß der Aufspaltung wird durch die Wechselwirkung der Elektronenhüllen der Atome bestimmt. Bei einem weiteren Anstieg des Systems auf die makroskopische Ebene wird die Anzahl der Ebenen sehr groß und der Unterschied in den Energien der in benachbarten Orbitalen befindlichen Elektronen ist entsprechend sehr gering – die Energieniveaus werden in zwei nahezu kontinuierliche diskrete Mengen aufgespalten – Energie Zonen.

Folie 13

Das höchste der erlaubten Energiebänder in Halbleitern und Dielektrika, in dem bei einer Temperatur von 0 K alle Energiezustände mit Elektronen besetzt sind, wird Valenzband genannt, das nächste ist das Leitungsband. Basierend auf dem Prinzip der relativen Anordnung dieser Zonen werden alle Festkörper in drei große Gruppen eingeteilt: Leiter – Materialien, bei denen sich das Leitungsband und das Valenzband überlappen (es gibt keine Energielücke) und eine Zone bilden, die als Leitungsband bezeichnet wird (also , das Elektron kann sich frei zwischen ihnen bewegen, nachdem es eine zulässig niedrige Energie erhalten hat); Dielektrika – Materialien, bei denen sich die Zonen nicht überlappen und der Abstand zwischen ihnen mehr als 3 eV beträgt (um ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband zu übertragen, ist erhebliche Energie erforderlich, sodass Dielektrika praktisch keinen Strom leiten); Halbleiter – Materialien, bei denen sich die Bänder nicht überlappen und der Abstand zwischen ihnen (Bandlücke) im Bereich von 0,1–3 eV liegt (um ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband zu übertragen, ist weniger Energie erforderlich als bei ein Dielektrikum, daher sind reine Halbleiter schwach leitend).

Folie 14

Die Bandlücke (die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband) ist eine Schlüsselgröße in der Bandtheorie und bestimmt die optischen und elektrischen Eigenschaften eines Materials. Der Übergang eines Elektrons vom Valenzband zum Leitungsband wird als Prozess der Erzeugung von Ladungsträgern (negativ – Elektron und positiv – Loch) bezeichnet, und der umgekehrte Übergang wird als Rekombinationsprozess bezeichnet.

Folie 15

Halbleiter sind Stoffe, deren Bandlücke in der Größenordnung von mehreren Elektronenvolt (eV) liegt. Beispielsweise kann Diamant als Halbleiter mit großer Bandlücke klassifiziert werden, und Indiumarsenid kann als Halbleiter mit schmaler Bandlücke klassifiziert werden. Zu den Halbleitern zählen viele chemische Elemente(Germanium, Silizium, Selen, Tellur, Arsen und andere), eine Vielzahl von Legierungen und chemischen Verbindungen (Galliumarsenid usw.). Der in der Natur am häufigsten vorkommende Halbleiter ist Silizium und macht fast 30 % der Erdkruste aus. Ein Halbleiter ist ein Material, das hinsichtlich seiner spezifischen Leitfähigkeit eine Zwischenstellung zwischen Leitern und Dielektrika einnimmt und sich von Leitern durch die starke Abhängigkeit der spezifischen Leitfähigkeit von der Konzentration der Verunreinigungen, der Temperatur und der Einwirkung unterscheidet verschiedene Arten Strahlung. Die Haupteigenschaft eines Halbleiters ist eine Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit mit steigender Temperatur.

Folie 16

Halbleiter zeichnen sich sowohl durch die Eigenschaften von Leitern als auch von Dielektrika aus. In Halbleiterkristallen benötigen Elektronen etwa 1-2·10−19 J (ungefähr 1 eV) Energie, um von einem Atom freigesetzt zu werden, im Vergleich zu 7-10·10−19 J (ungefähr 5 eV) für Dielektrika, was den Hauptunterschied zwischen Halbleitern kennzeichnet und Dielektrika. Diese Energie erscheint in ihnen, wenn die Temperatur steigt (z. B. wenn Zimmertemperatur Das Energieniveau der thermischen Bewegung von Atomen beträgt 0,4·10−19 J) und einzelne Elektronen erhalten Energie, um vom Kern getrennt zu werden. Sie verlassen ihre Kerne und bilden freie Elektronen und Löcher. Mit steigender Temperatur nimmt die Anzahl der freien Elektronen und Löcher zu, daher nimmt in einem Halbleiter, der keine Verunreinigungen enthält, der elektrische Widerstand ab. Herkömmlicherweise gelten Elemente mit einer Elektronenbindungsenergie von weniger als 2-3 eV als Halbleiter. Der Elektron-Loch-Leitfähigkeitsmechanismus manifestiert sich in nativen (also ohne Verunreinigungen) Halbleitern. Sie wird als intrinsische elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern bezeichnet.

Folie 17

Die Wahrscheinlichkeit des Elektronenübergangs vom Valenzband zum Leitungsband ist proportional zu (-Eg/kT), wobei Eg die Bandlücke ist. Bei einem großen Wert von Eg (2–3 eV) erweist sich diese Wahrscheinlichkeit als sehr gering. Somit hat die Einteilung der Stoffe in Metalle und Nichtmetalle eine ganz bestimmte Grundlage. Im Gegensatz dazu hat die Einteilung der Nichtmetalle in Halbleiter und Dielektrika keine solche Grundlage und ist rein bedingt.

Folie 18

Eigen- und Fremdleitfähigkeit Halbleiter, in denen bei der Ionisierung der Atome, aus denen der gesamte Kristall aufgebaut ist, freie Elektronen und „Löcher“ entstehen, werden Halbleiter mit Eigenleitfähigkeit genannt. In Halbleitern mit intrinsischer Leitfähigkeit ist die Konzentration freier Elektronen gleich der Konzentration von „Löchern“. Verunreinigungsleitfähigkeit Kristalle mit Verunreinigungsleitfähigkeit werden häufig zur Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet. Solche Kristalle werden durch Einbringen von Verunreinigungen mit Atomen eines fünfwertigen oder dreiwertigen chemischen Elements hergestellt

Folie 19

Elektronische Halbleiter (n-Typ) Der Begriff „n-Typ“ kommt vom Wort „negativ“, das sich auf die negative Ladung der Majoritätsträger bezieht. Einem vierwertigen Halbleiter (z. B. Silizium) wird eine Verunreinigung eines fünfwertigen Halbleiters (z. B. Arsen) zugesetzt. Bei der Wechselwirkung geht jedes Verunreinigungsatom eine kovalente Bindung mit Siliziumatomen ein. Allerdings findet das fünfte Elektron des Arsenatoms in gesättigten Valenzbindungen keinen Platz, es bricht ab und wird frei. IN in diesem Fall Die Ladungsübertragung erfolgt durch ein Elektron und nicht durch ein Loch, das heißt, dieser Halbleitertyp leitet elektrischen Strom wie Metalle. Verunreinigungen, die Halbleitern hinzugefügt werden und dazu führen, dass sie zu Halbleitern vom n-Typ werden, werden Donor-Verunreinigungen genannt.

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Lochhalbleiter (p-Typ) Der Begriff „p-Typ“ leitet sich vom Wort „positiv“ ab, das die positive Ladung der Majoritätsträger bezeichnet. Diese Art von Halbleiter zeichnet sich neben der Verunreinigungsbasis durch die Löchernatur der Leitfähigkeit aus. Eine kleine Menge Atome eines dreiwertigen Elements (z. B. Indium) wird einem vierwertigen Halbleiter (z. B. Silizium) hinzugefügt. Jedes Verunreinigungsatom geht eine kovalente Bindung mit drei benachbarten Siliziumatomen ein. Um eine Bindung mit dem vierten Siliziumatom herzustellen, verfügt das Indiumatom über kein Valenzelektron, daher schnappt es sich ein Valenzelektron aus der kovalenten Bindung zwischen benachbarten Siliziumatomen und wird zu einem negativ geladenen Ion, was zur Bildung eines Lochs führt. Die dabei zugesetzten Verunreinigungen werden Akzeptorverunreinigungen genannt.

Folie 21

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Physikalische Eigenschaften Halbleiter werden im Vergleich zu Metallen und Dielektrika am häufigsten untersucht. Dies wird zu einem großen Teil durch eine Vielzahl von Effekten erleichtert, die weder in der einen noch in der anderen Substanz beobachtet werden können und hauptsächlich mit der Struktur der Bandstruktur von Halbleitern und dem Vorhandensein einer relativ schmalen Bandlücke zusammenhängen. Halbleiterverbindungen werden in mehrere Typen unterteilt: einfache Halbleitermaterialien – die chemischen Elemente selbst: Bor B, Kohlenstoff C, Germanium Ge, Silizium Si, Selen Se, Schwefel S, Antimon Sb, Tellur Te und Jod I. Germanium, Silizium und Selen. Der Rest wird am häufigsten als Dotierstoff oder als Bestandteil komplexer Halbleitermaterialien verwendet. Die Gruppe der komplexen Halbleitermaterialien umfasst Chemische Komponenten, mit Halbleitereigenschaften und aus zwei, drei oder mehr chemischen Elementen. Der Hauptanreiz für das Studium von Halbleitern ist natürlich die Herstellung von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltkreisen.

Folie 23

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