ارائه با موضوع "رساناها در میدان الکتریکی". ارائه با موضوع "رساناها و دی الکتریک ها" ارائه با موضوع رساناها در یک میدان الکترواستاتیک

رساناها در یک میدان الکتریکی بارهای آزاد - ذرات باردار با همان علامت که می توانند تحت تأثیر میدان الکتریکی حرکت کنند بارهای محدود - بارهای مخالف که اتم ها (یا مولکول هایی) را می سازند که تحت تأثیر یک جریان الکتریکی نمی توانند مستقل از یکدیگر حرکت کنند. رشته مواد هادی ها دی الکتریک نیمه هادی ها

هر محیطی قدرت میدان الکتریکی را ضعیف می کند

ویژگی های الکتریکی یک محیط با تحرک ذرات باردار در آن تعیین می شود

فلز رسانا، محلول نمک ها، اسیدها، هوای مرطوب, پلاسما , بدن انسان

این جسمی است که در داخل آن مقدار کافی بار الکتریکی آزاد وجود دارد که می تواند تحت تأثیر میدان الکتریکی حرکت کند.

اگر یک هادی بدون بار به میدان الکتریکی وارد شود، حامل های بار شروع به حرکت می کنند. آنها به گونه ای توزیع می شوند که میدان الکتریکی ایجاد شده توسط آنها مخالف میدان خارجی باشد، یعنی میدان داخل هادی ضعیف شود. بارها تا زمانی که شرایط تعادل بارها بر روی هادی برقرار شود، مجدداً توزیع می شود، یعنی:

هادی خنثی وارد شده به میدان الکتریکی خطوط کشش را می شکند. آنها با بارهای القایی منفی پایان می یابند و با بارهای مثبت شروع می شوند.

پدیده جداسازی فضایی بارها را القای الکترواستاتیکی می نامند. زمینه خود از اتهامات ناشی از درجه بالادقت میدان خارجی داخل هادی را جبران می کند.

اگر هادی داشته باشد حفره داخلی، پس میدان نیز در داخل حفره وجود ندارد. این شرایط هنگام سازماندهی حفاظت از تجهیزات از میدان های الکتریکی استفاده می شود.

الکتریسیته شدن یک رسانا در یک میدان الکترواستاتیک خارجی با جدا کردن بارهای مثبت و منفی موجود در آن به مقدار مساوی، پدیده القای الکترواستاتیکی نامیده می شود و بارهای بازتوزیع شده خود القایی نامیده می شوند. از این پدیده می توان برای برق رسانی به هادی های بدون بار استفاده کرد.

یک هادی شارژ نشده را می توان با تماس با هادی باردار دیگر برق داد.

توزیع بار روی سطح هادی ها به شکل آنها بستگی دارد. حداکثر چگالی بار روی نقاط مشاهده می شود، در حالی که در داخل فرورفتگی ها به حداقل کاهش می یابد.

از ویژگی بارهای الکتریکی برای متمرکز شدن در لایه نزدیک سطح رسانا برای به دست آوردن اختلاف پتانسیل قابل توجه با روش الکترواستاتیک استفاده شده است. روی انجیر نموداری از یک ژنراتور الکترواستاتیکی که برای شتاب بخشیدن به ذرات بنیادی استفاده می شود ارائه شده است.

هادی کروی 1 قطر بزرگروی یک ستون عایق 2 قرار دارد. یک نوار دی الکتریک بسته 3 در داخل ستون حرکت می کند که توسط درام 4 هدایت می شود. از یک ژنراتور ولتاژ بالا، یک بار التقاطی از طریق سیستم هادی های نوک تیز 5 و یک صفحه زمین به نوار منتقل می شود. 6 در پشت نوار قرار دارد. بارها توسط سیستمی از نقاط 7 از نوار جدا می شوند و روی یک کره رسانا جریان می یابند. مقدار حداکثر باری که می تواند روی کره جمع شود با نشت از سطح هادی کروی تعیین می شود. در عمل می توان از ژنراتورهایی با طراحی مشابه با قطر کره 10-15 متر برای بدست آوردن اختلاف پتانسیل در حد 3-5 میلیون ولت استفاده کرد. برای افزایش بار کره، گاهی اوقات کل ساختار را در جعبه ای پر از گاز فشرده قرار می دهند که باعث کاهش شدت یونیزاسیون می شود.

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

هادی ها و دی الکتریک در زمینه الکتریکی

دوره پایه


  • رساناها موادی هستند که در آنها بارهای الکتریکی آزاد وجود دارد که می توانند تحت تأثیر میدان الکتریکی خودسرانه ضعیف حرکت کنند.

هادی ها

یونیزه شده

گازها

فلزات

الکترولیت ها




حفاظت الکترواستاتیک- پدیده ای که بر اساس آن می توان میدان الکتریکی را با "پنهان شدن" از آن در داخل یک پوسته بسته از یک ماده رسانای الکتریکی (مثلاً فلز) محافظت کرد.

حفاظت الکترواستاتیک.


این پدیده توسط مایکل فارادی در سال 1836 کشف شد. او متوجه شد که یک میدان الکتریکی خارجی نمی تواند به داخل یک قفس فلزی متصل شود. اصل عملیات قفس های فارادیاین است که تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی، الکترون های آزاد در فلز شروع به حرکت کرده و باری در سطح سلول ایجاد می کنند که این میدان خارجی را کاملاً جبران می کند.




دی الکتریک ها (یا عایق ها) موادی هستند که الکتریسیته را نسبتاً ضعیف هدایت می کنند (در مقایسه با هادی ها).

  • در دی الکتریک، همه الکترون ها متصل هستند، یعنی متعلق به اتم های منفرد هستند و میدان الکتریکی آنها را جدا نمی کند، بلکه فقط کمی آنها را جابجا می کند، یعنی آنها را قطبی می کند. بنابراین، میدان الکتریکی می تواند در داخل دی الکتریک وجود داشته باشد، دی الکتریک تأثیر خاصی بر میدان الکتریکی دارد

دی الکتریک ها به دو دسته تقسیم می شوند قطبیو غیر قطبی .


دی الکتریک های قطبی

متشکل از مولکول هایی است که در آنها مراکز توزیع بارهای مثبت و منفی بر هم منطبق نیستند. چنین مولکولی را می توان به عنوان دو نقطه یکسان در مدول نقطه مقابل نشان داد اتهامات واقع در فاصله ای از یکدیگر، نامیده می شود دوقطبی .


دی الکتریک های غیر قطبی

متشکل از اتم ها و مولکول هایی است که در آنها مراکز توزیع بارهای مثبت و منفی منطبق هستند.


پلاریزاسیون دی الکتریک های قطبی

  • قرار گرفتن یک دی الکتریک قطبی در یک میدان الکترواستاتیک (به عنوان مثال، بین دو صفحه باردار) منجر به چرخش و جابجایی دوقطبی‌هایی که قبلاً به طور تصادفی جهت‌گیری شده‌اند در امتداد میدان می‌شود.

معکوس شدن تحت عمل یک جفت نیروی اعمال شده از سمت میدان به دو بار دوقطبی رخ می دهد.

به جابجایی دوقطبی ها پلاریزاسیون می گویند. با این حال، تنها قطبش جزئی به دلیل حرکت حرارتی رخ می دهد. در داخل دی الکتریک، بارهای مثبت و منفی دوقطبی ها یکدیگر را جبران می کنند و یک بار محدود روی سطح دی الکتریک ظاهر می شود: در سمت صفحه دارای بار مثبت منفی و بالعکس.



پلاریزاسیون دی الکتریک های غیر قطبی

یک دی الکتریک غیرقطبی در میدان الکتریکی نیز قطبی می شود. تحت تأثیر میدان الکتریکی، بارهای مثبت و منفی در یک مولکول در جهت مخالف جابه جا می شوند، به طوری که مراکز توزیع بار مانند مولکول های قطبی جابه جا می شوند. محور دوقطبی القا شده توسط میدان در امتداد میدان قرار دارد. بارهای محدود روی سطوح دی الکتریک مجاور صفحات باردار ظاهر می شوند.


یک دی الکتریک قطبی شده خود میدان الکتریکی ایجاد می کند.

این میدان میدان الکتریکی خارجی داخل دی الکتریک را ضعیف می کند

درجه این تضعیف به خواص دی الکتریک بستگی دارد.

کاهش قدرت میدان الکترواستاتیک در ماده در مقایسه با میدان در خلاء با گذردهی نسبی محیط مشخص می شود.



رساناها در میدان الکتریکی

دی الکتریک ها در میدان الکتریکی

1. الکترون های آزاد وجود دارد

1. هیچ حامل شارژ رایگان وجود دارد.

2. الکترون ها روی سطح هادی جمع می شوند

2. در میدان الکتریکی، مولکول ها و اتم ها می چرخند به طوری که از یک طرف بار مثبت اضافی در دی الکتریک ظاهر می شود و از طرف دیگر بار منفی.

3. هیچ میدان الکتریکی در داخل هادی وجود ندارد

3. میدان الکتریکی داخل هادی به میزان ε بار ضعیف می شود.

4. هادی را می توان در میدان الکتریکی به 2 قسمت تقسیم کرد و هر قسمت با علائم مختلف شارژ می شود.

4. دی الکتریک را می توان در میدان الکتریکی به 2 قسمت تقسیم کرد، اما هر یک از آنها بدون شارژ خواهند بود.


کنترل سوالات

1 . به چه موادی هادی می گویند؟

2 چه بارهای الکتریکی آزاد نامیده می شوند؟

3. چه ذراتی حامل بارهای آزاد در فلزات هستند؟

4. در فلزی که در میدان الکتریکی قرار می گیرد چه اتفاقی می افتد؟

5. طلوع فجر چگونه بر روی هادی توزیع می شودد؟


سوالات کنترلی

6. اگر هادی در میدان الکتریکی به دو قسمت تقسیم شود، این قطعات چگونه شارژ می شوند؟

7. حفاظت الکترواستاتیک بر چه اصل استوار است؟

8- به چه موادی دی الکتریک می گویند؟

9. دی الکتریک چیست؟ تفاوت در چیست؟

10. رفتار یک دوقطبی در میدان الکتریکی خارجی را توضیح دهید.


11. پلاریزاسیون دی الکتریک چگونه رخ می دهد.

12. اگر دی الکتریکی که در میدان الکتریکی قرار می گیرد به نصف تقسیم شود، بار هر قسمت چقدر خواهد بود؟

13. ابری با بار منفی از روی میله صاعقه عبور می کند. بر اساس مفاهیم الکترونیکی توضیح دهید که چرا بار در نوک میله صاعقه ایجاد می شود. نشانه او چیست؟







در سطح کره، مخروط ها بخش های کروی کوچکی را برش می دهند که می توان آنها را صاف در نظر گرفت. یک r1r1 r2r2 S1S1 S2S2 یا مخروط ها شبیه یکدیگر هستند، زیرا زوایای راس برابر هستند. از این تشابه نتیجه می شود که مساحت پایه ها به ترتیب به عنوان مربع فواصل و از نقطه A به مکان ها و به ترتیب مرتبط است. بدین ترتیب،






سطوح هم پتانسیل یک دوره تقریبی از سطوح هم پتانسیل برای لحظه معینی از تحریک قلب در شکل نشان داده شده است. در میدان الکتریکی، سطح جسم رسانا به هر شکلی که باشد یک سطح هم پتانسیل است. خطوط نقطه چین سطوح هم پتانسیل را نشان می دهد، اعداد کنار آنها مقدار پتانسیل را بر حسب میلی ولت نشان می دهد.












ثابت دی الکتریک مواد ماده ε ε گازها و بخار آب نیتروژن هیدروژن هوا خلاء بخار آب (در t=100 ºС) هلیوم اکسیژن دی اکسید کربن مایعات نیتروژن مایع (در t= -198.4 ºС) آب بنزین هیدروژن مایع (در t= -252، 9 ºС) هلیوم مایع (در t= -269 ºC) گلیسیرین 1.0058 1.006 1.4 1.9–2.0 81 1.2 1.05 43 اکسیژن مایع (در t= -192.4 ºС) کاغذ ترانسفورماتور Woodalod Alids یخ خشک(در t= –10 ºС) پارافین لاستیک میکا شیشه باریم تیتانیوم چینی کهربا 1.5 2.2 26 4.3 5.7 2.2 2.2–3.7 70 1.9–2.2 3.0 –6.0 5.7–7.8 6.8–6.0–






ادبیات O. F. Kabardin "فیزیک. منابع مرجع". O. F. Kabardin "فیزیک. منابع مرجع". A. A. Pinsky "فیزیک. آموزشبرای مدارس و کلاس های کلاس 10 با مطالعه عمیق فیزیک. A. A. Pinsky "فیزیک. کتاب درسی مدارس و کلاس های پایه دهم با مطالعه عمیق فیزیک. G. Ya. Myakishev "فیزیک. کلاس های الکترودینامیک G. Ya. Myakishev "فیزیک. کلاس های الکترودینامیک مجله "کوانتوم". مجله "کوانتوم".



اسلاید 2

رساناها و دی الکتریک ها در میدان الکتریکی به ذرات باردار که می توانند آزادانه در میدان الکتریکی حرکت کنند، بار آزاد و مواد حاوی آن ها هادی نامیده می شوند. هادی ها فلزات، محلول های مایع و مذاب الکترولیت ها هستند. بارهای آزاد در فلز الکترون های لایه بیرونی اتم ها هستند که تماس با آنها را از دست داده اند. این الکترون‌ها که الکترون‌های آزاد نامیده می‌شوند، آزاد هستند که در جسم فلزی در هر جهت حرکت کنند. در شرایط الکترواستاتیک، یعنی زمانی که بارهای الکتریکی ساکن هستند، شدت میدان الکتریکی داخل هادی همیشه صفر است. در واقع، اگر فرض کنیم که هنوز میدانی در داخل هادی وجود دارد، نیروهای الکتریکی متناسب با شدت میدان بر بارهای آزاد موجود در آن اثر می‌گذارند و این بارها شروع به حرکت می‌کنند، به این معنی که میدان از حالت الکترواستاتیکی خارج می‌شود. . بنابراین، هیچ میدان الکترواستاتیکی در داخل هادی وجود ندارد.

اسلاید 3

موادی که در آنها هزینه رایگان وجود ندارد دی الکتریک یا عایق نامیده می شوند. گازهای مختلف، برخی مایعات (آب، بنزین، الکل، و غیره)، و همچنین بسیاری از مواد جامد (شیشه، چینی، پلکسی، لاستیک و غیره) می توانند به عنوان نمونه دی الکتریک باشند. دو نوع دی الکتریک وجود دارد - قطبی و غیر قطبی. در یک مولکول دی الکتریک قطبی، بارهای مثبت عمدتاً در یک قسمت آن (قطب "+") و بارهای منفی در قسمت دیگر (قطب "-") قرار دارند. در یک دی الکتریک غیرقطبی، بارهای مثبت و منفی به طور مساوی در سراسر مولکول توزیع می شوند. گشتاور دوقطبی الکتریکی یک کمیت فیزیکی برداری است که ویژگی‌های الکتریکی یک سیستم از ذرات باردار (توزیع بار) را به معنای میدان ایجاد شده توسط آن و عمل میدان‌های خارجی بر روی آن مشخص می‌کند. ساده ترین سیستم بارهایی که دارای گشتاور دوقطبی غیر صفر معین (مستقل از انتخاب مبدا) است، یک دوقطبی است (ذره دو نقطه ای با بارهای مخالف هم اندازه)

اسلاید 4

ممان دوقطبی الکتریکی دوقطبی از نظر قدر مطلق برابر است با حاصل ضرب مقدار بار مثبت و فاصله بین بارها و از بار منفی به بار مثبت هدایت می شود یا: که در آن q مقدار بارها است. ، l بردارى است كه ابتدا در بار منفى و انتها آن مثبت است. برای سیستمی از ذرات N، گشتاور دوقطبی الکتریکی عبارت است از: واحدهای سیستم برای گشتاور دوقطبی الکتریکی نام خاصی ندارند. در SI، فقط سانتی متر است. گشتاور دوقطبی الکتریکی مولکول ها معمولاً در دبای ها اندازه گیری می شود: 1 D = 3.33564 10-30 Cm.

اسلاید 5

پلاریزاسیون دی الکتریک هنگامی که یک دی الکتریک به یک میدان الکتریکی خارجی وارد می شود، مقداری بازتوزیع بارهای تشکیل دهنده اتم ها یا مولکول ها در آن رخ می دهد. در نتیجه این توزیع مجدد، بارهای محدود جبران نشده اضافی روی سطح نمونه دی الکتریک ظاهر می شود. همه ذرات باردار که بارهای محدود ماکروسکوپی را تشکیل می دهند هنوز بخشی از اتم های آنها هستند. بارهای محدود یک میدان الکتریکی ایجاد می کنند که در داخل دی الکتریک مخالف بردار شدت میدان خارجی است. این فرآیند پلاریزاسیون دی الکتریک نامیده می شود. در نتیجه، میدان الکتریکی کل داخل دی الکتریک از نظر مقدار مطلق کوچکتر از میدان خارجی است. مقدار فیزیکی برابر با نسبت مدول قدرت میدان الکتریکی خارجی در خلاء E0 به مدول قدرت میدان کل در یک دی الکتریک همگن E را گذردهی ماده می نامند:

اسلاید 6

مکانیسم های مختلفی برای پلاریزاسیون دی الکتریک ها وجود دارد. اصلی ترین آنها قطبش های جهت گیری و تغییر شکل هستند. پلاریزاسیون جهتی یا دوقطبی در مورد دی الکتریک های قطبی متشکل از مولکول هایی که در آنها مراکز توزیع بارهای مثبت و منفی بر هم منطبق نیستند رخ می دهد. چنین مولکول هایی دوقطبی های الکتریکی میکروسکوپی هستند - ترکیبی خنثی از دو بار، از نظر قدر و علامت مخالف، که در فاصله ای از یکدیگر قرار دارند. به عنوان مثال، یک مولکول آب دارای یک گشتاور دوقطبی و همچنین مولکول های تعدادی دی الکتریک دیگر (H2S، NO2 و غیره) است. در غیاب میدان الکتریکی خارجی، محورهای دوقطبی های مولکولی به دلیل حرکت حرارتی به طور تصادفی جهت دهی می شوند، به طوری که در سطح دی الکتریک و در هر عنصر حجمی شارژ الکتریکیبه طور متوسط ​​صفر است هنگامی که یک دی الکتریک به یک میدان خارجی وارد می شود، جهت گیری جزئی دوقطبی های مولکولی رخ می دهد. در نتیجه، بارهای محدود ماکروسکوپی جبران نشده روی سطح دی الکتریک ظاهر می شوند و میدانی را به سمت میدان خارجی ایجاد می کنند.

اسلاید 7

قطبش دی الکتریک های قطبی به شدت به دما بستگی دارد، زیرا حرکت حرارتی مولکول ها نقش یک عامل گمراه کننده را ایفا می کند. شکل نشان می دهد که در یک میدان خارجی، نیروهایی با جهت مخالف بر روی قطب های مخالف یک مولکول دی الکتریک قطبی عمل می کنند که سعی می کنند مولکول را در امتداد بردار قدرت میدان بچرخانند.

اسلاید 8

مکانیسم تغییر شکل (یا الاستیک) در طول قطبش دی الکتریک های غیرقطبی خود را نشان می دهد، مولکول های آن در غیاب میدان خارجی دارای گشتاور دوقطبی نیستند. در حین قطبش الکترون تحت تأثیر میدان الکتریکی، پوسته های الکترونی دی الکتریک های غیرقطبی تغییر شکل می دهند - بارهای مثبت در جهت بردار جابجا می شوند و بارهای منفی در جهت مخالف. در نتیجه هر مولکول به یک دوقطبی الکتریکی تبدیل می شود که محور آن در امتداد میدان خارجی هدایت می شود. بارهای محدود جبران نشده روی سطح دی الکتریک ظاهر می شوند و میدان خود را به سمت میدان خارجی ایجاد می کنند. پلاریزاسیون دی الکتریک غیرقطبی به این صورت است. نمونه ای از مولکول های غیر قطبی، مولکول متان CH4 است. در این مولکول، یون کربن یونیزه شده چهار برابر C4– در مرکز یک هرم منظم قرار دارد که در بالای آن یون های هیدروژن H+ وجود دارد. هنگامی که یک میدان خارجی اعمال می شود، یون کربن از مرکز هرم جابجا می شود و مولکول دارای یک گشتاور دوقطبی متناسب با میدان خارجی است.

اسلاید 9

در مورد دی الکتریک های کریستالی جامد، نوعی قطبش تغییر شکل مشاهده می شود - به اصطلاح قطبش یونی، که در آن یون های علائم مختلف که شبکه کریستالی را تشکیل می دهند، هنگامی که یک میدان خارجی اعمال می شود، در جهات مخالف جابجا می شوند. در نتیجه بارهای محدود (غیر جبران نشده) روی سطوح کریستالی ظاهر می شوند. نمونه ای از چنین مکانیزمی، قطبش یک کریستال NaCl است که در آن یون های Na+ و Cl– دو زیرشبکه تو در تو را تشکیل می دهند. در غیاب میدان خارجی، هر سلول واحد کریستال NaCl از نظر الکتریکی خنثی است و ممان دوقطبی ندارد. در یک میدان الکتریکی خارجی، هر دو زیرشبکه در جهت مخالف جابه‌جا می‌شوند، یعنی کریستال پلاریزه می‌شود.

اسلاید 10

شکل نشان می دهد که یک میدان خارجی بر روی یک مولکول دی الکتریک غیر قطبی عمل می کند و بارهای مخالف را در داخل آن حرکت می دهد. طرف های مختلف، در نتیجه این مولکول شبیه به یک مولکول دی الکتریک قطبی می شود و در امتداد خطوط میدان قرار می گیرد. تغییر شکل مولکول های غیرقطبی تحت اثر میدان الکتریکی خارجی به حرکت حرارتی آنها بستگی ندارد، بنابراین قطبش یک دی الکتریک غیرقطبی به دما بستگی ندارد.

اسلاید 11

مبانی نظریه باند حالت جامد نظریه باند یکی از بخش های اصلی نظریه کوانتومی حالت جامد است که حرکت الکترون ها را در کریستال ها توصیف می کند و اساس آن است. نظریه مدرنفلزات، نیمه هادی ها و دی الکتریک ها. طیف انرژی الکترون ها در یک جامد به طور قابل توجهی با طیف انرژی الکترون های آزاد (که پیوسته است) یا طیف الکترون های متعلق به اتم های جدا شده (گسسته با مجموعه معینی از سطوح موجود) متفاوت است - از باندهای انرژی مجاز جداگانه تشکیل شده است. توسط نوارهای انرژی ممنوعه جدا شده است. طبق فرضیه های مکانیک کوانتومی بور، در یک اتم ایزوله، انرژی یک الکترون می تواند مقادیر کاملاً گسسته ای به خود بگیرد (الکترون دارای انرژی خاصی است و در یکی از اوربیتال ها قرار دارد).

اسلاید 12

در مورد یک سیستم متشکل از چندین اتم که توسط یک پیوند شیمیایی متحد شده اند، سطوح انرژی الکترونیکی به مقداری متناسب با تعداد اتم ها تقسیم می شوند. اندازه گیری شکافت توسط برهمکنش لایه های الکترونی اتم ها تعیین می شود. با افزایش بیشتر سیستم به سطح ماکروسکوپی، تعداد سطوح بسیار زیاد می شود و تفاوت در انرژی های الکترون های واقع در اوربیتال های همسایه، به ترتیب، بسیار کم است - سطوح انرژی به دو مجموعه مجزا عملاً پیوسته تقسیم می شوند. - نوارهای انرژی

اسلاید 13

بالاترین باند انرژی مجاز در نیمه هادی ها و دی الکتریک ها که در دمای 0 K تمام حالت های انرژی توسط الکترون ها اشغال می شود، نوار ظرفیت و به دنبال آن نوار رسانایی نامیده می شود. بر اساس اصل آرایش متقابل این مناطق، تمام مواد جامد به سه گروه بزرگ تقسیم می شوند: رساناها - موادی که در آنها نوار رسانایی و نوار ظرفیت روی هم همپوشانی دارند (فاصله انرژی وجود ندارد) و یک منطقه را تشکیل می دهند که به آن نوار رسانایی می گویند. بنابراین، یک الکترون می تواند آزادانه بین آنها حرکت کند، با دریافت هر گونه انرژی نسبتاً کوچک. دی الکتریک - موادی که در آنها مناطق همپوشانی ندارند و فاصله بین آنها بیش از 3 ولت است (برای انتقال یک الکترون از باند ظرفیت به نوار رسانایی، انرژی قابل توجهی مورد نیاز است، بنابراین دی الکتریک ها عملا جریان را هدایت نمی کنند). نیمه رساناها - موادی که در آنها مناطق با هم همپوشانی ندارند و فاصله بین آنها (شکاف باند) در محدوده 0.1-3 eV قرار دارد (برای انتقال یک الکترون از باند ظرفیت به نوار رسانایی، انرژی کمتری از آن مورد نیاز است. برای یک دی الکتریک، بنابراین نیمه هادی های خالص جریان کمی را هدایت می کنند.

اسلاید 14

شکاف باند (شکاف انرژی بین باندهای ظرفیت و رسانایی) یک کمیت کلیدی در تئوری باند است و خواص نوری و الکتریکی ماده را تعیین می‌کند. انتقال یک الکترون از باند ظرفیت به نوار رسانایی را فرآیند تولید حامل های بار (منفی - یک الکترون و مثبت - یک سوراخ) و انتقال معکوس را فرآیند نوترکیبی می نامند.

اسلاید 15

نیمه رساناها موادی هستند که فاصله باند آنها در حد چند الکترون ولت (eV) است. به عنوان مثال ، الماس را می توان به نیمه هادی های با شکاف گسترده و آرسنید ایندیم - به نیمه هادی های با شکاف باریک نسبت داد. بسیاری از نیمه هادی ها هستند عناصر شیمیایی(ژرمانیوم، سیلیکون، سلنیوم، تلوریم، آرسنیک و دیگران)، تعداد زیادی آلیاژ و ترکیبات شیمیایی (آرسنید گالیم و غیره). رایج ترین نیمه هادی در طبیعت سیلیکون است که تقریباً 30 درصد از پوسته زمین را تشکیل می دهد. نیمه هادی ماده ای است که از نظر رسانایی، موقعیت متوسطی را بین هادی ها و دی الکتریک ها اشغال می کند و به دلیل وابستگی شدید رسانایی به غلظت ناخالصی، دما و قرار گرفتن در معرض با هادی ها متفاوت است. انواع مختلفتابش - تشعشع. ویژگی اصلی یک نیمه هادی افزایش رسانایی الکتریکی با افزایش دما است.

اسلاید 16

نیمه هادی ها با هر دو ویژگی هادی و دی الکتریک مشخص می شوند. در بلورهای نیمه هادی، الکترون ها به حدود 1-2 10-19 ژول (تقریبا 1 eV) انرژی برای آزاد شدن از اتم نیاز دارند، در مقابل 7-10 10-19 ژول (تقریباً 5 eV) برای دی الکتریک، که مشخصه اصلی تفاوت بین نیمه هادی ها و دی الکتریک ها . این انرژی در هنگام افزایش دما در آنها ظاهر می شود (مثلاً وقتی دمای اتاقسطح انرژی حرکت حرارتی اتم ها 0.4 10-19 ژول است، و تک تک الکترون ها برای جدا شدن از هسته انرژی دریافت می کنند. آنها هسته های خود را ترک می کنند و الکترون ها و حفره های آزاد را تشکیل می دهند. با افزایش دما، تعداد الکترون‌ها و حفره‌های آزاد افزایش می‌یابد، بنابراین در نیمه‌رسانایی که ناخالصی ندارد، مقاومت الکتریکی کاهش می‌یابد. به طور متعارف، مرسوم است که عناصر نیمه رسانا با انرژی اتصال الکترون کمتر از 2-3 eV در نظر گرفته شوند. مکانیسم الکترون حفره رسانایی خود را در نیمه هادی های ذاتی (یعنی بدون ناخالصی) نشان می دهد. به آن هدایت الکتریکی ذاتی نیمه هادی ها می گویند.

اسلاید 17

احتمال انتقال الکترون از باند ظرفیت به نوار رسانایی با (-Еg/kT) متناسب است، جایی که Eg شکاف نواری است. با مقدار زیادی Eg (2-3 eV)، این احتمال بسیار کوچک است. بنابراین، تقسیم مواد به فلزات و غیرفلزات مبنای مشخصی دارد. در مقابل، تقسیم غیر فلزات به نیمه هادی ها و دی الکتریک ها چنین مبنایی ندارد و کاملاً دلخواه است.

اسلاید 18

رسانایی ذاتی و ناخالصی نیمه هادی هایی که در آنها الکترون های آزاد و "سوراخ" در فرآیند یونیزاسیون اتم هایی که کل کریستال از آنها ساخته شده است ظاهر می شوند، نیمه هادی هایی با رسانایی ذاتی نامیده می شوند. در نیمه هادی های با رسانایی ذاتی، غلظت الکترون های آزاد برابر با غلظت «حفره ها» است. رسانایی ناخالصی کریستال های دارای رسانایی ناخالصی اغلب برای ایجاد دستگاه های نیمه هادی استفاده می شوند. چنین کریستال هایی با وارد کردن ناخالصی با اتم های یک عنصر شیمیایی پنج ظرفیتی یا سه ظرفیتی ساخته می شوند.

اسلاید 19

نیمه هادی های الکترونیکی (نوع n) اصطلاح "نوع n" از کلمه "منفی" گرفته شده است که به بار منفی اکثر حامل ها اشاره دارد. ناخالصی از یک نیمه هادی پنج ظرفیتی (مثلاً آرسنیک) به یک نیمه هادی چهار ظرفیتی (مثلاً سیلیکون) اضافه می شود. در فرآیند برهمکنش، هر اتم ناخالصی با اتم های سیلیکون وارد پیوند کووالانسی می شود. با این حال، الکترون پنجم اتم آرسنیک در پیوندهای ظرفیت اشباع شده جایی ندارد و می شکند و به یک الکترون آزاد تبدیل می شود. که در این موردانتقال بار توسط یک الکترون انجام می شود نه یک سوراخ، یعنی این نوع نیمه هادی جریان الکتریکی را مانند فلزات هدایت می کند. ناخالصی هایی که به نیمه هادی ها اضافه می شوند و در نتیجه به نیمه هادی های نوع n تبدیل می شوند، ناخالصی های دهنده نامیده می شوند.

اسلاید 20

نیمه هادی های سوراخ (نوع p) اصطلاح "p-type" از کلمه "مثبت" گرفته شده است که نشان دهنده بار مثبت اکثر حامل ها است. این نوع نیمه هادی ها علاوه بر پایه ناخالصی، با ماهیت سوراخ رسانایی مشخص می شوند. مقدار کمی از اتم های یک عنصر سه ظرفیتی (به عنوان مثال، ایندیم) به یک نیمه هادی چهار ظرفیتی (به عنوان مثال، سیلیکون) اضافه می شود. هر اتم ناخالصی یک پیوند کووالانسی با سه اتم سیلیکون همسایه برقرار می کند. برای برقراری پیوند با اتم چهارم سیلیکون، اتم ایندیم الکترون ظرفیت ندارد، بنابراین از پیوند کووالانسی بین اتم‌های سیلیکون همسایه، الکترون ظرفیتی را می‌گیرد و تبدیل به یونی با بار منفی می‌شود که در نتیجه یک سوراخ ایجاد می‌شود. . به ناخالصی هایی که در این حالت اضافه می شود، ناخالصی های پذیرنده می گویند.

اسلاید 21

اسلاید 22

مشخصات فیزیکینیمه هادی ها در مقایسه با فلزات و دی الکتریک ها بیشترین مطالعه را دارند. این امر تا حد زیادی توسط تعداد زیادی از اثراتی که در هیچ یک از این دو ماده قابل مشاهده نیست تسهیل می شود، که در درجه اول مربوط به ساختار نواری نیمه هادی ها و وجود یک شکاف نواری نسبتاً باریک است. ترکیبات نیمه هادی به چند نوع تقسیم می شوند: مواد نیمه هادی ساده - عناصر شیمیایی واقعی: بور B، کربن C، ژرمانیوم Ge، سیلیکون Si، سلنیوم Se، گوگرد S، آنتیموان Sb، تلوریم Te و ید I. ژرمانیوم، سیلیکون و سلنیوم. بقیه اغلب به عنوان مواد ناخالص یا به عنوان اجزای مواد نیمه هادی پیچیده استفاده می شوند. گروه مواد نیمه هادی پیچیده شامل ترکیبات شیمیاییکه دارای خواص نیمه هادی بوده و شامل دو، سه یا چند عنصر شیمیایی می باشند. البته محرک اصلی مطالعه نیمه هادی ها تولید دستگاه های نیمه هادی و مدارهای مجتمع است.

اسلاید 23

با تشکر از توجه شما!

مشاهده همه اسلایدها

 

شاید خواندن آن مفید باشد: