Ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный газовые разряды. Дуговой разряд. Плазма

В обычных условиях газы являются диэлектриками, т.к. состоят из нейтральных атомов и молекул, и в них нет достаточного количества свободных зарядов. Газы становятся проводниками лишь тогда, когда они каким-то образом ионизированы. Процесс ионизации газов заключается в том, что под действием каких-либо причин от атома отрывается один или несколько электронов. В результате этого вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электрон.

Несамостоятельный разряд - это разряд, который зависит от наличия ионизатора.

Самостоятельный разряд -электрического тока в газах существует даже после прекращения действия внешнего ионизатора

Плазма — это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Поэтому в целом плазма является электрически нейтральной системой.

Дуговой разряд  - самостоятельный квазистационарный электрический разряд в газе, горящий практически при любых давлениях газа при постоянной или меняющейся с низкой разности потенциалов между электродами.

Элементы зонной теории твердых тел. Металлы (проводники), полупроводники и диэлектрики (изоляторы) с точки зрения зонной теории твердых тел

Зонная теория является основой современных представлений о механизмах различных физических явлений, происходящих в твердом кристаллическом веществе при воздействии на него электромагнитного поля. Зонная теория твердого тела – это теория валентных электронов, движущихся в периодическом потенциальном поле, кристаллической решетки.

· Металлы - зона проводимости и валентная зона перекрываются, образуя одну зону, называемую зоной проводимости, таким образом, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию

· Полупроводники - зоны не перекрываются, и расстояние между ними составляет менее 3.5 эВ. Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости, требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток

· Диэлектрики - зоны не перекрываются, и расстояние между ними составляет более 3.5 эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.

Электроны в металлах. Функция распределения Ферми-Дирака. Энергия и уровень Ферми

Металлические проводники – основной тип проводниковых материалов, применяемых в микроэлектронике. В классической электронной теории металлов – проводников I рода – электронный газ представлен свободными электронами.

Функция распределения Ферми-Дирака:

Распределение электронов и дырок по энергиям в твердом теле описывается статистикой Ферми-Дирака. Согласно этой статистике вероятность того, что состояние с некоторой энергией E при температуре Т будет занято электроном.

Энергия Ферми – максимально возможная энергия электрона при T=0, ей соответствует уровень Ферми

20. Энергия Ферми - максимальная энергия, которую могут иметь электроны в металле при Т = 0 К.

Энергия Ферми, являясь кинетической энергией поступательного движения свободных электронов, не является энергией их теплового движения. Она имеет чисто квантовую природу и справедлива для ферми-частиц.

Уровень Ферми- это уровень, на котором находятся электроны обладающие максимальной энергией в валентной зоне при Т=0К, те это самый высокий уровень занятых в валентной зоне

21. Собственная проводимость полупроводника:

Полупроводники обязаны своим названием тому обстоятельству, что по величине электропроводности они занимают промежуточное положение между металлами и изо­ляторами. Их проводимость растёт с повышением температуры (у металлов она умень­шается).

Типичными полупроводниками являются элементы IV группы периодической сис­темы Менделеева — германий и кремний. Они образуют решетку, в которой каждый атом связан ковалентными (парно-электронными) связями с четырьмя равноотстоящими от него соседними атомами. Условно такое взаимное расположение атомов можно представить в виде плоской структуры.

При достаточно высокой температуре тепловое движение может разорвать отдельные пары, освободив один электрон. В покинутом электроном месте (в его окрестно­сти) возникает избыточный положительный заряд +е — называемый дыркой. На это ме­сто может перескочить электрон из соседних пар, и дырка образуется в соседней паре. В отсутствии внешнего электрического поля электроны проводимости и дырки движутся хаотически. При включении поля на хаотическое движение накладывается упорядочное движение: электронов — против поля, и дырок — в направлении поля. Возникает электрический ток.

С квантовой точки зрения полупроводниками являются вещества, у которых ва­лентная зона полностью заполнена электронами (при Т=ОК). Пустая, не занятая электро­нами зона называется зоной проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимо­сти находится запрещенная зона, ширина которой невелика около 1 эВ. Уровень Ферми

проходит посредине запрещенной зоны. При Т>0 электроны, преодолевая потенциаль­ный барьер запрещенной зоны, могут переходить из валентной зоны в зону проводимо­сти. При этом в валентной зоне освобождается некоторые уровни, и возникают дырки (дырка — не занятое электроном энергетическое состояние в валентной зоне). При при­ложении внешнего поля к полупроводнику электроны в зоне проводимости могут полу­чать дополнительную энергию (перемещаясь по энергетическим уровням кверху) и уча­ствовать в создании электрического тока. Дырки также могут получать дополнительную энергию (перемещаясь по уровням вниз) и тоже участвуют в создании электрического тока. С повышением температуры, число электронов, способных перейти в зону прово­димости и число дырок в валентной зоне увеличивается. Приближенно можно считать, что зависимость концентрации электронов и дырок от энергии подчиняется распределению Больцмана: — ширина запрещенной зоны, п0 — концентрация

электронов в валентной зоне при Т= О К. С ростом Т концентрация электронов в зоне про­водимости и дырок в валентной зоне увеличивается, что приводит к росту проводимости полупроводника.

Примесная проводимость полупроводников:

Этот вид проводимости возникает, если некоторые атомы данного полупроводника заменить атомами примеси, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов. Если примесь приводит к преобладанию электронной проводимости, то она называется донорной, а полупроводник п -— типа. Примесь, приводящая к преоб­ладанию дырочной проводимости, называется акцепторной, а полупроводник р — типа.

Температурная зависимость сопротивления полупроводников:

Опыты показывают, что при нагревании электрическое сопротивление полупроводниковых кристаллов уменьшается Уменьшение электрического сопротивления полупроводников при нагревании объясняется тем, что с повышением температуры кристалла число освобождающихся электронов увеличивается, концентрация свободных электронов в кристалле возрастает.