Зависимость сопротивления проводника от температуры и ее качественное объяснение

Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость

На этом уроке мы вспомним, что такое сопротивление проводника и от каких параметров оно зависит. Выясним, как изменяется сопротивление проводника при изменении его температуры. Узнаем, что называют температурным коэффициентом сопротивления. А также поговорим о явлении сверхпроводимости.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.

2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.

3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ

Конспект урока «Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость»

Изучая закон Ома для участка цепи мы с вами ввели понятие электрического сопротивления, как физическую величину, характеризующую свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока в нём.

При этом мы с вами показали, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, обратно пропорционально площади поперечного сечения и зависит от вещества, из которого этот проводник изготовлен:

Напомним, что электрические свойства проводника характеризуются его удельным сопротивлением.

Как вы знаете, в таблицах удельных сопротивлений веществ очень часто указывается температура, при которой удельное сопротивление было измерено. Тогда логично предположить, что сопротивление проводника должно каким-то образом зависеть от температуры.

Проверим это предположение на опыте. Для этого соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, проволочной спирали и амперметра. Включим источник тока, и отметим показание амперметра.

А теперь давайте нагреем исследуемую спиральку, например, с помощью спиртовки. Не трудно увидеть, что показания амперметра начинают уменьшаться. Вывод очевиден: при увеличении температуры сопротивление металлов увеличивается.

Объясняется этот факт достаточно просто. Вы знаете, что удельное сопротивление вещества металлического проводника зависит от концентрации свободных носителей заряда и числа их столкновений с ионами кристаллической решётки, совершающими колебательные движения около положений устойчивого равновесия. В металлических проводниках концентрация свободных электронов практически постоянна для данного проводника и не зависит от температуры.

Однако число столкновений свободных электронов с ионами кристаллической решётки с ростом температуры возрастает. Это приводит к возрастанию удельного сопротивления металлического проводника при повышении температуры.

Если принять, что при 273 К (то есть при 0 о С) удельное сопротивление проводника равно ρ₀, а при температуре Т оно равно ρ, то, как показывает опыт, относительное изменение удельного сопротивления пропорционально изменению абсолютной температуры (которое, напомним, совпадает с изменением температуры по шкале Цельсия):

В записанном уравнении α — это температурный коэффициент. Он численно равен относительному изменению удельного сопротивления вещества проводника при изменении его температуры на 1 К:

Таким образом, удельное сопротивление вещества металлического проводника возрастает с увеличением температуры.

Поскольку сопротивление проводника прямо пропорционально удельному сопротивлению вещества, из которого изготовлен проводник, то, не учитывая незначительную температурную зависимость отношения l/S, можно записать такие соотношения:

Здесь R₀ и R — это сопротивления проводника соответственно при нуле градусов Цельсия и при данной температуре.

Отметим, что для металлических проводников эти формулы применимы при температурах более T >140 К.

У всех металлов при повышении температуры сопротивление возрастает. То для них температурный коэффициент сопротивления — это величина положительная. У растворов же электролитов наоборот с ростом температуры сопротивление уменьшается. Значит их температурный коэффициент сопротивления меньше нуля.

Для большинства металлов (но не сплавов) при температурах от 0 для 100 о С температурный коэффициент можно считать постоянным и равным его среднему значению на этом интервале температур:

Давайте, для примера определим сопротивление алюминиевого проводника при температуре 90 о С, если при температуре 20 о С его сопротивление равно 4 Ом. Температурный коэффициент сопротивления алюминия α = 4,2 · 10 –3 К –1 .

Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в специальных приборах — термометрах сопротивления. Широкое распространение получили термометры сопротивления из чистых металлов, особенно платины и меди, которые конструктивно представляют собой металлическую проволоку, намотанную на жёсткий каркас (из кварца, фарфора или слюды), заключённый в защитную оболочку (из металла, кварца, фарфора, стекла). Платиновые термометры сопротивления применяют для измерения температуры в пределах от –263 до 1064 o С, а медные — от –50 до 180 o С.

Если при изготовлении электроизмерительных приборов требуются проводники, сопротивление которых должно как можно меньше зависеть от температуры окружающей среды, то используют специальные сплавы — константан и манганин.

В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры обнаружил одно замечательное явление. Вначале эксперимента всё шло по плану: сопротивление металла при охлаждении постепенно уменьшалось. Однако при температуре меньше либо равной 4,12 К (по современным измерениям при 4,15 К) электрическое сопротивление ртути резко исчезало.

Явление падения до нуля сопротивления проводника при определённой температуре называется сверхпроводимостью, а проводник в этом состоянии — сверхпроводником.

Температуру, при которой электрическое сопротивление проводника обращается в ноль, называют критической температурой.

Открытие Камерлинг-Оннеса, за которое в 1913 году ему была присуждена Нобелевская премия, повлекло за собой исследования свойств веществ при низких температурах. Позже многочисленными опытами было установлено, что это явление характерно для многих проводников. Каждый сверхпроводящий металл характеризуется своей критической температурой.

У веществ в сверхпроводящем состоянии были отмечены резкие аномалии магнитных, тепловых и ряда других свойств. Так, например, если в кольцевом проводнике, находящемся в сверхпроводящем состоянии, создать ток, а затем удалить источник тока, то сила этого тока в таком проводнике не меняется сколь угодно долго. В обычном же (несверхпроводящем) проводнике электрический ток в этом случае прекращается. Это указывает на перспективу использования явления сверхпроводимости при передаче электрической энергии.

Сверхпроводящие соединения нашли применение в качестве материала обмоток электромагнитов для создания сильных магнитных полей в установках управляемого термоядерного синтеза, а также в мощных электрических двигателях и генераторах.

Объяснение сверхпроводимости возможно только на основе квантовой теории. Оно было дано лишь в 1957 году американскими учёными Джоном Бардиным, Леоном Купером и Джоном Шриффером, а также советским учёным и академиком Николаем Николаевичем Боголюбовым.

Очень упрощённо механизм сверхпроводимости можно объяснить так: при критической температуре электроны объединяются в правильную шеренгу и движутся, не сталкиваясь с кристаллической решёткой, состоящей из ионов. Это движение существенно отличается от обычного теплового движения, при котором свободный электрон движется хаотично.

В 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Получены сложные оксидные соединения лантана, бария и других элементов с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 100 К. Это выше температуры кипения жидкого азота при атмосферном давлении (77 К).

Высокотемпературная сверхпроводимость в недалёком будущем приведёт наверняка к новой технической революции во всей электротехнике, радиотехнике и конструировании компьютеров.

Электрический ток в металлах. Зависимость сопротивления металла от температуры

Под действием электрического поля свободные электроны в металлах приобретают направленное движение, при этом хаотичность сохраняется.

Сила тока в проводнике пропорциональна дрейфовой скорости частиц. Поэтому сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника I ~ U . В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.

В проводнике с площадью поперечного сечения связь силы тока и дрейфовой скорости частиц определяется формулой: �� = �� 0 �� , где – концентрация носителей заряда, �� 0 — заряд одной частицы.

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры.

Температурная зависимость сопротивления проводника объясняется тем, что при нагревании проводника возрастает число столкновений носителей зарядов и изменяется их концентрация.

Сверхпроводимость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения ( критическая температура ).

Сопротивление

Мищенко Марина

Цель урока : объяснить физическую природу зависимости сопротивления проводников от температуры; ввести понятие температурного коэффициента сопротивления и сверхпроводимости.

Задачи урока:

· на основе демонстрации опытов объяснить увеличения сопротивления металлов от температуры и уменьшения у электролитов, получить формулу связи R от t ;

· ознакомить с явлением сверхпроводимости

· развитие речи, умения выражать и защищать свою точку зрения;

· развитие познавательных умений

· вовлечь всех учащихся в творческую работу;

· воспитание мотивов учения, положительного отношения к знаниям

Тип урока : комбинированный.

Формы организации урока: фронтальная, индивидуальная.

Методы: рассказ, демонстрация опытов, исследование, записи на доске, беседа.

Тип урока : комбинированный.

I . Оргмомент.

II. Фронтальный опрос

Электрический ток в металлах

1.Что называют электрическим током?

2.Сформулируйте закон Ома для полной цепи.

3.Что понимают под сопротивлением проводника? (физ. величина, характеризующая проводник и показывающая, как проводник препятствует направленному движению заряженных частиц т. е. току)

4.От чего зависит сопротивление проводника? (от размеров проводника и от материала из которого он изготовлен).

5. Какая формула отображает эту зависимость? ( R = , где:ρ – удельное l — сопротивление проводника, s – удельное сопротивление проводника).

6.А как вы думаете зависит ли сопротивление металлического проводника от температуры? (обычно мнения ребят разделяются: одни считают- ДА, другие НЕТ)

Ставятся задачи перед учениками:

· Выяснить зависит ли сопротивления проводника от температуры.

· Если зависит, то как?

Давайте обратимся к опыту. Включим в цепь, содержащую батарею аккумуляторов, стальную спираль (см. рис.)следовательно с ней включим лампу, по свечению которой можно судить об изменении силы тока в цепи (вместо лампы можно использовать амперметр демонстрационный).

Нагревая спираль при помощи горелки, видим. Что яркость лампы уменьшилась. Следовательно ток в цепи уменьшился. Значит при нагревании стального проводника сопротивление проводника увеличивается. Заменяя стальную спираль другими металлическими проводниками, можно убедиться в том, что при повышении температуры сопротивление всех металлических проводников растет

Ожидаемые результаты:

Ученики наблюдают и делают вывод: 1) при нагревании металлического проводника сопротивление его увеличивается.

2)При повышении температуры сопротивление всех металлических проводников растет, но у одних рост сопротивления сильнее, чем у других.

При нагревании размеры проводника меняются мало, а в основном меняется удельное сопротивление.

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры:

где ρ₀ — удельное сопротивление при 0 градусов,

α — температурный коэффициент сопротивления

( т.е. относительное изменение удельного сопротивления проводника при нагревании его на один градус)

Сверхпроводимость

Определение . Сверхпроводимость – явление, когда сопротивление проводника становится близким к нулю.

Открытию явления сверхпроводимости предшествовало получение в 1908 году голландцем Камерлингом Оннесом (рис. 4) жидкого гелия. Помещая образец проводника в жидкий гелий, стало возможным наблюдать поведение проводников при сверхнизких температурах (близко к 0 ). И в 1911 году Оннес установил, что ртуть при температуре около 4 К резко приобретает сопротивление, равное нулю.

Зависимость сопротивления от температуры

Самое распространенное действие тока – это тепловое действие. Как уже было отмечено в прошлой главе, механизмом этого действия является столкновение электронов с узлами кристаллической решетки, в результате чего кинетическая энергия электронов переходит во внутреннюю энергию проводника.

В свою очередь, имея повышенную внутреннюю энергию, узлы решетки начинают колебаться быстрее, чаще сталкиваясь с электронами. То есть электроны тормозятся более эффективно. Иными словами при увеличении температуры проводника увеличивается его электрическое сопротивление.

Простым опытом, подтверждающим этот теоретический вывод, может служить нагревание проводника в цепи со включенной лампой и измерительными приборами (см. рис. 1).

По мере прогревания проводника как лампа начнет светить менее ярко, так и приборы станут показывать падение силы тока.

После качественного подтверждения зависимости сопротивления от температуры была получена количественная зависимость. После ряда экспериментов было выяснено, что относительное приращение сопротивления прямо пропорционально абсолютному приращению температуры:

Сверхпроводник — вещество, которое может переходить в сверхпроводящее состояние. Ток в сверхпроводнике может протекать неограниченно долгое время из-за отсутствия сопротивления.

Свойством сверхпроводимости обладают около половины металлов и свыше тысячи сплавов и соединений металлов. Интересно, что такие металлы, как серебро, медь, золото, платина, являющиеся хорошими проводниками при Т₀ = 293 К, не переходят в сверхпроводящее состояние.

Отличие движения заряженных частиц в проводнике и сверхпроводнике. В чем же принципиальное отличие движения заряженных частиц в сверхпроводнике от их движения в обычном проводнике?

Электрическое сопротивление обычного проводника определяется взаимодействием электронов с хаотически колеблющимися ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки. В таком проводнике электроны движутся под действием внешнего электрического поля независимо друг от друга. Каждый электрон, столкнувшийся с ионом, изменяет направление скорости и выбывает из общего направленного движения электрических зарядов (носителей тока). С уменьшением температуры частота столкновений электронов с ионами убывает.

Резкий спад сопротивления сверхпроводника при критической температуре означает, что электроны не выбывают из общего направленного движения, т.е. столкновения с ионами внезапно прекращаются. Ключом к объяснению этого факта послужило открытие в 1950 г. изотопического эффекта.

Изотопический эффект — зависимость критической температуры от массы ионов в кристаллической решетке.

Подведение итогов

1.Что такое сверхпроводимость?

2. Зависит ли сопротивления проводника от температуры?

3. Что называют электрическим током?

4. Какая формула отображает эту зависимость?

Подготовить реферат на тему «Природа электрического тока», §13 выучить, ответить на вопросы

Контрольные вопросы

1. Расскажите о земном магнетизме. Какого его происхождение? Какие вы знаете магнитные элементы ? В чем заключается практическое и теоретическое значение проблемы исследования земного магнетизма? В каких щитах горизонтальная составлявшая максимальна, в каких минимальна? Этот же вопрос для вертикальной составляющей земного магнитного поля.

2. Что такое плоскость магнитного меридиана?

3. Какие углы называются углами склонения и наклонения?

4. Закон Био-Савара-Лапласа (записать в скалярном и векторном виде).

5. Чему равна напряженность магнитного поля в центре кругового тока? Вывести формулу.

6. Почему катушка т-г делается всегда большего диаметра/ Z« 20см/.

7. Почему при отсчетах показания т-г нужно брать отчет по обоим концам стрелки?

8. Зачем нужно коммутировать ток в катушке т-г.?

9. Каким образом элементарные заряженные частицы из космического пространства улавливаются Землей/магнитная ловушка/?Что вы знаете о радиационных поясах вокруг Земли? Какова природа так называемого широтного эффекта?

Лабораторная работа №4 исследование температурной зависимости сопротивления проводника и полупроводника (термистора)

Цель работы: изучение методов термического коэффициента

сопротивления для проводников и полупроводников.

Приборы и принадлежности:

Кратрая теория

1. Все вещества в природе по своим электрическим свойствам делятся на проводники и диэлектрики (изоляторы). Диэлектрики — это вещества, которые практически тока не проводят (электроны все связаны). Проводники – вещества, хорошо проводящие ток. Различают проводники 1 рода (металлы) и проводники 2 рода (электролиты). Проводимость металлов обусловлена наличием свободных электронов в электролитах же-ионный тип проводимости.

Полупроводники в одних условиях ведут себя как проводники, а в других — как изоляторы. Проводимость полупроводника носит электронно-дырочный характер. Из электронной теории строения вещества известно, что положительной частицей является атом. Атом состоит из ядра, вокруг которого движутся электроны. Орбиты электронов не произвольны, а строго определены.

Орбиты подразделяются по слоям, причем энергия электронов, занимающих орбиты одного слоя, сравнительно близки друг другу. Энергия электронов, орбиты которых относятся к разным слоям, различаются уже на весьма большее величины. Электроны, движущиеся вокруг отдельных ядер на внутренних электронных оболочках, практически не меняются. Что же касается внешних электронных оболочек, то они в результате сближения отдельных атомов и возникающего при этом сильного взаимодействия между электронами перестраиваются. В одних случаях электроны продолжают удерживаться молекулам и ионам. В этом случае подвижность электронов ограничена, и вещество представляет собой твердый диэлектрик. Электроны (валентные) освобождаются, и приобретают подвижность в веществе, в этом случае представляет собой проводник – металл.

Валентные электроны обладают энергией. Электроны атома могут обладать только определенными значениями энергии. Эти значения называются энергетическими уровнями. Энергетические уровни объединяются в зоны, электроны внешней оболочки атома составляют валентные зоны. Существует число электронов, находящихся на более высоких энергетических уровнях. Эти уровни составляют зону проводимости. Электроны этой зоны называются электронами проводимости. Они совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим, то есть следующие уровни объединяются между собой и получают зону проводимости.

Энергетические зоны в металле (Рис.1). В полупроводниках зона проводимости отделена от валентной зоны, так называемой запрещенной зоной (Рис.2). В диэлектриках подобно полупроводникам присутствует широкая запрещенная зона (Рис.3).

2.Способность вещества проводить электрический ток характеризуется его проводимостью (G). Величина, обратная проводимости, называется сопротивлением (R). Сопротивление меняется при изменении температуры. Для большинства металлов сопротивление с повышением температуры увеличивается, с понижением — уменьшается.

Качественно это обстоятельство объясняет классическая теория проводимости металлов (Лоренц) тем, что при повышении температуры тепловое движение атомов мешает упорядоченному движению электронов. В результате сопротивление металлов увеличивается, а проводимость уменьшается.

Опыт показывает, что в первом приближении со противление проводника линейно возрастает с температурой по закону Rt = R₀ (1+αt) (1)

где R, R₀ — сопротивления при температуре и,

α — температурный коэффициент сопротивления, показывающий величину относительного изменения сопротивления при нагревании на один градус.

α(2)

Величину термического коэффициента можно получить, не прибегая к измерению. Для этого достаточно формулу (1) записать для сопротивления при двух разных температурах и поделить одно выражение на другое:

; ( 3)

Как показывает теория и опыт, при температуре равной нулю Кельвинов сопротивление металлов стремится к нулю. Одним из затруднений классической электронной теории металлов является невозможность правильно объяснить температурную зависимость сопротивления. Согласно этой теории R , а не, как показывает опыт ( См. Г. А. Зисман. О. М. Тодес. «Курс обшей физики». т. 2. — М : Наука. 1971, параграфы 20 и 21)

3.Правильное объяснение температурной зависимости сопротивления дает современная теория проводимости металлов, созданная на основе квантовой механика физиком Я. И. Френкелем и немецким физиком А. Зоммерфельдом. Это так называемая зонная теория.

Согласно зонной теории и, что полностью согласуется с опытом.

В отличие от металлов, где имеются свободные электроны в полупроводниках (германий, кремний, селен в др.) электроны находятся в связном или полусвободном состоянии (ковалентные парно — ионные связи в атомной кристаллической решетке). Поэтому электропроводность полупроводников при обычных температурах очень мала, а сопротивление их достигает громадных значений. При нормальных условиях полупроводники проводят ток в миллионы раз хуже, чем металлические проводники. По сравнению с металлами полупроводники обладают важным свойством: сопротивление полупроводника чрезвычайно чувствительно к внешним воздействиям (освещение, нагревание и др.).

Например, с повышением температуры полупроводника его электрическое сопротивление резко падает, электропроводность сильно возрастает. Это свойство полупроводников используется в термисторах, которые широко применяются в практике.

Зависимость сопротивления полупроводника от температуры можно объяснить с точки зрения зонной теории. Суть ее заключается в том, что энергия электронов твердого тела распределяется по энергетическим зонам, соответствующим определенным состояниям атомов (рис.1).

Состояниям невозбужденных атомов соответствует валентная или заполненная зона (1). Эти уровни энергии электронов полностью заполнены при абсолютном нуле.

Возбужденным состояниям атомов соответствует свободам зона или зона проводимости (3). Имея такие значения энергии, электроны в зоне проводимости являются свободными.

В металлах зона проводимости непосредственно примыкает к заполненной зоне или перекрывает ее (рис. 1 а), поэтому электроны могут легко переходить с одного уровня на другой. Этим обусловлена хорошая проводимость металлов.

В отличие от металлов, в полупроводниках заполненная зона отделена от зоны проводимости, так называемой запрещенной зоной шириной

С повышением температуры тепловое движение становится более интенсивным, число флуктуаций растет, а вместе с ним возрастает число электронов проводимости. Поэтому проводимость полупроводника с повышением температуры резко возрастает. Наоборот, с уменьшением температуры число флуктуаций уменьшается, а вместе с ними уменьшается число электронов проводимости. При абсолютном нуле температуры электроны заполняют только валентную зону.

4. При температуре стремящейся к нулю, R в металлах стремится к нулю. Для некоторых металлов и сплавов в близи абсолютного нуля температуры, наблюдается скачкообразное падение сопротивления практически до нуля. При этом проводник приходит в сверхпроводящее состояние.

Температурная зависимость сопротивления широко используется в технике для создания термометров сопротивления.

5. Различают собственную и примесную проводимости полупроводников.

Собственная возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости. При этом в зоне проводимости появляется некоторое число носителей тока- электронов, занимающих уровни вблизи дна зоны; одновременно в валентной зоне освобождается такое же число мест на верхних уровнях. Также свободные от электронов места на уровнях заполненной при абсолютном нуле валентной зоны называют дырками.

Электроны и образовавшиеся в таком же числе дырки являются носителями тока.

Типичным полупроводником являются элементы IV (группы периодической системы Менделеева — германий, кремний. Они образуют решетку, в которой каждый связав ковалентными (попарно электронными) связями с четырьмя равностоящими от него соседними атомами. При достаточно высокой температуре тепловое движение две может разорвать отдельные пары, освободив один электрон. Покинутое электроном место перестает быть нейтральным, в его окрестности возникает избыточный положительный заряд + образуется дырка. На это место может перескочить электрон одной из соседних пар. Если свободный электрон встретиться с дыркой, они рекомбинируют (соединяются). Это означает, что электрон нейтрализует избыточный положительный заряд, имеющийся в окрестности дырки, и теряет свободу передвижения до тех пор, пока снова не получит от кристаллической решетки энергию для своего высвобождения. Рекомбинация приводит к одновременному исчезновению свободного электрона и дырки. Итак, в полупроводнике идут одновременно два процесса: рождение попарно свободных электронов и дырок и рекомбинация.

В отсутствие внешнего электрического поля электроны проводимости и дырки движутся хаотически. При включении поля на хаотическое движение накладывается упорядоченное движение: электронов против поля и дырок — в направлении поля. Собственная электропроводность обусловливается как бы носителями зарядов двух знаков — отрицательными электронами и положительными дырками. Собственная проводимость наблюдается во всех без исключения полупроводниках при достаточно высоких температурах.

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы данного полупроводника заместить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов. На рис.1 условно изображена решетка германия с примесью S-валентных атомов фосфора. Для образования ковалентных связей с соседями атому фосфора достаточно четырех электронов. Следовательно, пятый валентный электрон оказывается как бы лишним и легко отщепляется от атома за счет энергии теплового движения, образуя странствующий свободный электрон:

Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентных связей, т.е. образованием дырки. В полупроводнике с S-валентной примесью имеется только один вид носителей тока — электроны. Такой полупроводник обладает электронной проводимостью или является полупроводником п- типа (от слова neqativ — отрицательный). Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются донорами. Примеси искажают поле решетки, что приводит к возникновению на энергетической схеме так называемых донорных уровней, расположенных в запрещенной зоне кристалла (рис.2). Любой уровень валентной зоны или зоны проводимости может быть занят электроном, находящимся в любой месте кристалла. Если донорные уровни не расположены недалеко от потолка валентной зоны, они не могут существенно повлиять на электрические свойства кристалла.

Если же расстояние таких уровней от дна зоны проводимости гораздо меньше, чем ширина запрещенной зоны, то дело обстоит иначе. В этом случае энергия теплового движения даже при обычных температурах оказывается достаточной для того, чтобы перевести электроны с донорного уровня в зону проводимости

На рис. 3 условно изображена решетка кремния с примесью 3-валентных атомов бора. Трех валентных электронов атома бора недостаточно для образования связей со своими четырьмя соседями. Поэтому одна из связей окажется не укомплектованной н будет представлять собой место, способное захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникает дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Вблизи атома примеси возникает избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом н не может стать носителем тока. Таким образом, в полупроводнике с 3-валентной примесью возникают носители тока только одного вида-дырки.

Проводимость в этом случае называется дырочной, а о полупроводнике говорят, что он принадлежит к p-типу (от слова positiv — положительный). Примеси, вызывающие возникновение дырок, называются акцепторными. На схеме уровней (Рис. 4) акцептору соответствует расположенный в запретной зоне недалеко от ее дна акцепторный уровень. Образованию дырки отвечает переход электрона из валентной зоны на акцепторный уровень. Обратный переход соответствует разрыву одной из четырех ковалентных связей атома примеси и его соседями и рекомбинации образовавшегося при этом электрона и дырки.

С повышением температуры концентрация примесных носителей тока быстро достигает насыщения. Это означает, что практически освобождаются все донорные или заполняются электронами все акцепторные уровни. Вместе с тем по мере роста температуры все в большей степени начинает сказываться собственная проводимость полупроводника, обусловленная переходом электронов непосредственно из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, при высоких температурах проводимость полупроводника складывается из собственной и примесной. При низких температурах преобладает примесная, а при высоких — собственная проводимость.

6.Предположим для упрощения расчетов:

1.Что время между двумя последовательными соударениями электронов одинаково для всех электронов, обозначим его за .

2. При каждом соударении электронов, он передает решетке накопленную энергию полностью и поэтому начинает движение со скоростью = 0 Плотность тока возникшая в металле под действием электрического поля с напряженностью Е