Вольт амперная характеристика металлов

Если к контакту металл-полупроводник подключить внешний источник питания, минусом к полупроводнику, а плюсом к металлу, то высота потенциального барьера уменьшится и станет равной ψ– qU (рис.2.). Уменьшение высоты барьера приведет к нарушению термодинамического равновесия. В результате электроны полупроводника начинают переходить в металл, создавая при этом ток In. Эти электроны являются основными для металла, а их концентрация n s оказывается много меньше равновесной концентрации электронов в металле n м. Поэтому нейтрализация неравновесного заряда происходит с максвелловским временем релаксации τМ=εε0/σ, где σ – проводимость металла. Таким образом, приборы содержащие контакт металл-полупроводник, оказываются более высокочастотными по сравнению с невырожденными p-n -переходами.

Электронам находящимся в металле, для того чтобы попасть в зону проводимости полупроводника, необходимо преодолеть потенциальный барьер Δ Р = Р м– Р с. Высота этого барьера зависит только от работы выхода из металла Р м и полупроводника Р с и не зависит от степени легированности полупроводника. Поскольку Р м и Р с являются параметрами материала, ток, связанный с переходом электронов из металла в полупроводник, не зависит от внешнего напряжения и является величиной постоянной I м=const.

Если изменить полярность источника питания на обратную (плюс к полупроводнику, минус к металлу), то высота потенциального барьера увеличится на величину qU (рис.3.). При обратном смещении поток электронов из металла в по-прежнему останется без изменений. С другой стороны, встречный поток из полупроводника в металл уменьшится, поскольку высота барьера для электронов зоны проводимости возрастет и станет равной ψ+ qU. поэтому уже при незначительных обратных напряжениях полный обратный ток через контакт будет в основном определяться потоком электронов из металла в полупроводник и, следовательно не будет зависеть от напряжения.

Для полупроводниковых материалов Ge, Si, GaAs плотность термоэлектронного тока, связанная с переносом электронов из металла в полупроводник, так же как в электронной лампе равна

где [А/К 2 ] – постоянная Ричардсона, а Δ Р = Р м– Р с =Δ W Fn+ψ – работа выхода из металла в полупроводник. В состоянии термодинамического равновесия, когда внешнее напряжение равно нулю, этот ток уравновешивается потоком электронов, направленных из полупроводника в металл:

где – тепловая скорость электронов, n (0) – концентрация электронов в полупроводнике, на границе полупроводник-металл при U =0.

Приравнивая формулы (2) и (3) получим

где – эффективная плотность квантовых состояний у дна зоны проводимости.

Сравнивая (4) с (1) легко установить, что , где n s(0) – концентрация электронов на границе полупроводника при U =0, т.е.

где n 0 – равновесная концентрация электронов вдали от контакта.

При изменении внешнего смещения U граничная концентрация n s(0) будет изменяться в соответствии с изменением высоты потенциального барьера ψ– qU и, следовательно, будет меняться величина тока из полупроводника в металл

Общая характеристика металлов. 9 класс.

Результирующий электронный ток равен разности

где — термический потенциал, а — величина обратная термическому потенциалу.

Полученное выражение совпадает с формулой ВАХ идеального p-n -перехода. Однако выражение для обратного тока насыщения отличается от выражения для обратного тока насыщения идеального p-n -перехода, не только количественно, но и по физическому смыслу. В p-n -переходе обратный ток связан с экстракцией неосновных носителей, а в контакте металл-полупроводник – с инжекцией основных носителей из металла в полупроводник.

Вольтамперная характеристика перехода металл-полупроводник приведена на рис.4. Экспериментальная зависимость I = f (U) хорошо согласуется с теоретической, т.к.:

1) уровень инжекции всегда мал ns (0)n м, максимальная концентрация электронов при полностью открытом переходе ns (0)= N d~10 15 ÷10 17 см –3 , а концентрация электронов в металле n м~10 22 см –3 ,

2) сопротивление потерь при малой толщине базы и высокой степени легированности полупроводника мало и слабо влияет на АЧХ.

Отличие наблюдается только при больших обратных напряжениях, когда происходит электрический пробой перехода.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Строение металлов. Природа тока в металлах. Условия возникновения тока. Сила тока.

Высокая электропроводность металлов связана с тем, что в них имеется большое количество носителей тока — электронов проводимости, образующихся из валентных электронов атомов металла, которые не принадлежат определённому атому. Электрический ток в металле возникает под действием внешнего электрического поля, которое вызывает упорядоченное движение электронов. Движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решётки (на примесях, дефектах решётки, а также нарушениях периодической структуры, связанной с тепловыми колебаниями ионов). При этом электроны теряют импульс, а энергия их движения преобразуются во внутреннюю энергию кристаллической решётки, что и приводит к нагреванию проводника при прохождении по нему электрического тока.

—Силой тока называется физическая величина , равная отношению количества заряда , прошедшего за некоторое время через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

или.

-По закону Ома сила тока для участка цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению к участку цепи и обратно пропорциональна сопротивлению проводника этого участка цепи :

1. необходимо чтобы в среде существовали свободные электрические заряды, 2. необходимо чтобы в среде возникало электрическое поле.

Электрическое сопротивление. Зависимость сопротивления от размеров, материала проводника . Удельное сопротивление.

Электрическое сопротивление — физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему [1] . Сопротивление (часто обозначается буквой R или r) считается, в определённых пределах, постоянной величиной для данного проводника; её можно рассчитать как

где R — сопротивление; U — разность электрических потенциалов на концах проводника;I — сила тока, протекающего между концами проводника под действием разности потенциалов.

Длинный проводник малого по­перечного сечения создает току большое сопротивление. Короткие проводники большого поперечного сечения оказывают току малое сопротивление.

Если взять два проводника из разного материала, но одинаковой длины и сечения, то проводники будут проводить ток по-разному. Это показывает, что сопротивление проводника зависит от материала самого проводника. т.е.

Сопротивление проводника при прочих равных условиях зависит от его геометрии и от удельного электрического сопротивления материала, из которого он состоит.

Удельное сопротивление — скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади.

Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения и вычисляется по формуле:

где ρ — удельное сопротивление вещества проводника, l — длина проводника, а S — площадь сечения.

Вольт-амперная характеристика контакта «металл-металл»

Туннелирование электронов через барьер между двумя металлами рассматривалось во многих работах задолго до появления СТМ. Для малых напряжений смещения зависимость туннельного тока от напряжения линейная и проводимость туннельного контакта определяется в основном параметрами барьера.

При очень высоких напряжениях форма барьера будет сильно изменяться и ток будет описываться формулой Фаулера — Нордгейма. Типичная ВАХ, наблюдаемая для туннельного контакта «металл-металл», изображена схематически на рис. 8.11. Как видно из рис. 8.11, ВАХ туннельного контакта «металл-металл» нелинейна и, как правило, практически симметрична.

Вольт-амперная характеристика контакта «металл-полупроводник»

Полупроводниковые образцы имеют более сложную структуру энергетического спектра электронов (рис. 8.12).

Энергетическая диаграмма и характерный вид ВАХ туннельного контакта «металл-полупроводник»

Рис. 8.12. Энергетическая диаграмма и характерный вид ВАХ туннельного контакта «металл-полупроводник»

Наличие запрещенной зоны и примесных уровней в спектре полупроводниковых материалов делает ВАХ туннельного контакта «металл-полупроводник» сильно нелинейной. Существенный вклад в туннельный ток 98

дают также поверхностные состояния и уровни энергии, связанные с адсорбированными на поверхности чужеродными атомами. Поэтому исследования локальных туннельных спектров полупроводниковых материалов проводят в условиях высокого вакуума.

Неконтролируемое присутствие на поверхности адсорбированных атомов сильно усложняет интерпретацию получаемых в эксперименте туннельных спектров. Кроме того, тепловые возбуждения приводят к значительному уширению дискретных уровней энергии, соответствующих локализованным состояниям, а также сильно размывают положение краев зоны проводимости и валентной зоны. В качестве примера на рис. 8.13 приведен туннельный спектр образца GaAs.

СТМ-спектр поверхности кристалла и-GaAs

Рис. 8.13. СТМ-спектр поверхности кристалла и-GaAs

Туннельные спектры позволяют определить положения краев зоны проводимости и валентной зоны относительно уровня Ферми, а также идентифицировать спектральные пики, связанные с примесными состояниями внутри запрещенной зоны полупроводников.

Выполнил Базанов. Начнем с металлических проводников. Вольт — амперная характеристика этих проводников нам известна, но пока ничего не говорилось о её. — презентация

2 Начнем с металлических проводников. Вольт — амперная характеристика этих проводников нам известна, но пока ничего не говорилось о её объяснении с точки зрения молекулярно кинетической теории. Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика – порядка 10^28 1/m^3. Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью порядка 10^-4 м / с.

3 Эксперементальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Мандельштама и Папалекси, Стюарта и Толмена. МандельштамПапалекси

4 Советский физик, академик. Внёс большой вклад в развитие теории колебаний, радиофизики и оптики. Совместно с Ландсбергом им было открыто рассеяние света кристаллами, сопровождающееся изменением частоты. Создал целое научное направление в советской физике.

5 Вернёмся к доказательству. На катушку наматывают проволку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов присоединяют гальванометр. Катушку приводят в быстрое движение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, так как из — за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается. Направление Тока говорит о том, что он создаётся движением отрицательно заряженных частиц, Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т. е. |q|/m. Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за время существования тока в цепи, удалось определить это отношение. Оно равно 1,8*10^11 Кл / кг. Эта величина совпадает с отношением заряда электрона к его массе, найденным ранее из других опытов.

6 Электроны под влиянием постоянной силы, действующей на них со стороны электрического поля, приобретают определенную скорость упорядоченного движения. Эта скорость не увеличивается в дальнейшем со временем, так как со стороны ионов кристаллической решетки на электроны действует некоторая тормозящая сила. Эта сила подобна силу сопротивления, действующей на камень, когда он тонет в воде. В результате средняя скорость упорядоченного движения электронов пропорциональна напряженности электрического поля в проводнике и, следовательно, разности потенциалов на концах проводника, т. к. E=U/l, l- длина проводника.

7 Мы знаем, что сила тока в проводнике пропорциональна скорости упорядоченного движения частиц (I=qnuS, (u- скорость )), поэтому можем сказать, что сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника. I~U. В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.

Вольт амперная характеристика металлов

«Физика — 10 класс»

Как движутся электроны в металлическом проводнике, когда в нём нет электрического поля?
Как изменяется движение электронов, когда к металлическому проводнику прикладывают напряжение?

Электрический ток проводят твёрдые, жидкие и газообразные тела. Чем эти проводники отличаются друг от друга?

Вы познакомились с электрическим током в металлических проводниках и с установленной экспериментально вольт-амперной характеристикой этих проводников — законом Ома.

Наряду с металлами хорошими проводниками, т. е. веществами с большим количеством свободных заряженных частиц, являются водные растворы или расплавы электролитов и ионизованный газ — плазма. Эти проводники широко используются в технике.

В вакуумных электронных приборах электрический ток образуют потоки электронов.

Металлические проводники находят самое широкое применение в передаче электроэнергии от источников тока к потребителям. Кроме того, эти проводники используются в электродвигателях и генераторах, электронагревательных приборах и т. д.

Кроме проводников и диэлектриков (веществ со сравнительно небольшим количеством свободных заряженных частиц), имеется группа веществ, проводимость которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества не настолько хорошо проводят электричество, чтобы их назвать проводниками, но и не настолько плохо, чтобы их отнести к диэлектрикам. Поэтому они получили название полупроводников.

Долгое время полупроводники не играли заметной практической роли. В электротехнике и радиотехнике применяли исключительно различные проводники и диэлектрики. Положение существенно изменилось, когда сначала была предсказана теоретически, а затем обнаружена и изучена легкоосуществимая возможность управления электрической проводимостью полупроводников.

Нет универсального носителя тока. В таблице приведены носители тока в различных средах.

Электронная проводимость металлов.

Начнём с металлических проводников. Вольт-амперная характеристика этих проводников нам известна, но пока ничего не говорилось о её объяснении с точки зрения молекулярнокинетической теории.

Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика — порядка 10 28 1/м 3 .

Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью порядка 10 -4 м/с.

Экспериментальное доказательство существования свободных электронов в металлах.

Экспериментальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Мандельштама и Папалекси (1913), Стюарта и Толмена (1916). Схема этих опытов такова.

На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга (рис. 16.1). К концам дисков при помощи скользящих контактов подключают гальванометр.

Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается.

Направление тока в этом опыте говорит о том, что он создаётся движением отрицательно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т. е. |q|/m. Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за время существования тока в цепи, удалось определить это отношение. Оно оказалось равным 1,8 • 10 11 Кл/кг. Эта величина совпадала с отношением заряда электрона к его массе е/m, найденным ранее из других опытов.

Движение электронов в металле.

Свободные электроны в металле движутся хаотично. При подключении проводника к источнику тока в нём создаётся электрическое поле, и на электроны начинает действовать кулоновская сила = qe. Под действием этой силы электроны начинают двигаться направленно, т. е. на хаотичное движение электронов накладывается Скорость направленного движения увеличивается в течение некоторого времени t0 до тех пор, пока не произойдёт столкновение электронов с ионами кристаллической решётки. При этом электроны теряют направление движения, а затем опять начинают двигаться направленно. Таким образом, скорость направленного движения электрона изменяется от нуля до некоторого максимального значения, равного В результате средняя скорость упорядоченного движения электронов оказывается равной т. е. пропорциональной напряжённости электрического поля в проводнике: υ ~ Е и, следовательно, разности потенциалов на концах проводника, так как где l — длина проводника.

Сила тока в проводнике пропорциональна скорости упорядоченного движения частиц (см. формулу (15.2)). Поэтому можем сказать, что сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника: I ~ U.

В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.

Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. Дело в том, что условия движения электронов в металле таковы, что классическая механика Ньютона неприменима для описания этого движения. Этот факт подтверждает, например, зависимость сопротивления от температуры. Согласно классической теории металлов, в которой движение электронов рассматривается на основе второго закона Ньютона, сопротивление проводника пропорционально эксперимент же показывает линейную зависимость сопротивления от температуры.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Следующая страница «Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость»
Назад в раздел «Физика — 10 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский»

Электрический ток в различных средах — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Ток в электролитах

Известно, что водные растворы солей, щелочей и кислот ( электролиты ) являются проводниками электрического тока. Это объясняется следующим образом. Из-за того что молекулы воды являются электрическими диполями, молекулы растворённого вещества распадаются на ионы. Этот процесс называется электрической диссоциацией .

Электрический ток в электролитах

Если электролит помещён во внешнее электрическое поле, то положительно заряженные ионы будут двигаться по направлению вектора напряжённости электрического поля, а отрицательные — в обратную сторону, то есть в электролите потечёт электрический ток.

Frame 430.png

Рис. (1). Электрический ток в электролитах

Обычно при проведении эксперимента и при решении прикладных задач для создания электрического поля в раствор электролита помещаются электроды — проводящие металлические пластины. Электрод, подключённый к положительному полюсу источника, называют анодом , к отрицательному — катодом .

Электролиз

Когда отрицательно заряженные ионы подходят (под действием электрического поля, созданного электродами) к аноду, они отдают свой лишний электрон аноду и сами прилипают к нему. А положительно заряженные ионы, подойдя к катоду, получают дополнительные электроны и тоже прилипают к нему. Этот процесс связан с окислительно-восстановительными реакциями и называется электролизом. Масса вещества, выделяющегося на электроде при электролизе, определяется законом Фарадея:

(boxedIDelta t>), ((1))
где (M) — молярная масса вещества, (n) — валентность атома, (e) — заряд электрона, (N_A) — число Авогадро, (I) — сила тока, (Delta t) — время пропускания тока.
Коэффициент
(boxed>) ((2))

называется электрохимическим эквивалентом вещества . Он выражается в кгКл.
Вольт-амперная характеристика электролита
Вольт-амперная характеристика электролита — прямая, проходящая через точку (A) (рис. (2)).

Frame 431.png

Рис. (2). Вольт-амперная характеристика электролита

Эта прямая не проходит через точку начала координат из-за так называемого процесса поляризации электродов (покрытия электродов тонким слоем ионов электролита). Из-за этого процесса появляется дополнительная поляризационная ЭДС, знак которой противоположен знаку напряжения на электродах.

Практическое применение электролиза
Процесс электролиза имеет несколько практических применений.

1. Покрытие проводящего материала тонким слоем металла (гальваностегия).
2. Очистка металлов от примесей (электролиз солей меди, электролиз расплавленных оксидов алюминия и т. п.).

Выполнил Базанов. Начнем с металлических проводников. Вольт — амперная характеристика этих проводников нам известна, но пока ничего не говорилось о её. — презентация

2 Начнем с металлических проводников. Вольт — амперная характеристика этих проводников нам известна, но пока ничего не говорилось о её объяснении с точки зрения молекулярно кинетической теории. Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика – порядка 10^28 1/m^3. Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью порядка 10^-4 м / с.

3 Эксперементальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Мандельштама и Папалекси, Стюарта и Толмена. МандельштамПапалекси

4 Советский физик, академик. Внёс большой вклад в развитие теории колебаний, радиофизики и оптики. Совместно с Ландсбергом им было открыто рассеяние света кристаллами, сопровождающееся изменением частоты. Создал целое научное направление в советской физике.

5 Вернёмся к доказательству. На катушку наматывают проволку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов присоединяют гальванометр. Катушку приводят в быстрое движение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, так как из — за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается. Направление Тока говорит о том, что он создаётся движением отрицательно заряженных частиц, Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т. е. |q|/m. Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за время существования тока в цепи, удалось определить это отношение. Оно равно 1,8*10^11 Кл / кг. Эта величина совпадает с отношением заряда электрона к его массе, найденным ранее из других опытов.

6 Электроны под влиянием постоянной силы, действующей на них со стороны электрического поля, приобретают определенную скорость упорядоченного движения. Эта скорость не увеличивается в дальнейшем со временем, так как со стороны ионов кристаллической решетки на электроны действует некоторая тормозящая сила. Эта сила подобна силу сопротивления, действующей на камень, когда он тонет в воде. В результате средняя скорость упорядоченного движения электронов пропорциональна напряженности электрического поля в проводнике и, следовательно, разности потенциалов на концах проводника, т. к. E=U/l, l- длина проводника.

7 Мы знаем, что сила тока в проводнике пропорциональна скорости упорядоченного движения частиц (I=qnuS, (u- скорость )), поэтому можем сказать, что сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника. I~U. В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий