Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости полупроводников.

 

Полупроводники — это вещества, удельное со­противление которых убывает с повышением темпе­ратуры, наличия примесей, изменения освещен­ности. По этим свойствам они разительно отличают­ся от металлов. Обычно к полупроводникам относят­ся кристаллы, в которых для освобождения электро­на требуется энергия не более 1,5 — 2 эВ. Типичны­ми полупроводниками являются кристаллы герма­ния и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объ­яснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируют­ся. Освободившиеся электроны не могут быть захва­чены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действи­ем внешнего электрического поля могут перемещать­ся в кристалле, создавая ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализо­ваться, захватив электрон. Далее, в результате пере-­

ходов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле мес­та с недостающим электроном. Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как пе­ремещение положительного заряда, называемого «дыркой». При помещении кристалла в электриче­ское поле возникает упорядоченное движение «ды­рок» — ток дырочной проводимости.

В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип про­водимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводни­ков увеличивается.

На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают до-норные и акцепторные. Донорная примесь — это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются лишние электроны. Проводимость станет электрон­ной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью п = 4 донорной примесью является мышьяк с валент­ностью п = 5. Каждый атом примеси мышьяка при­ведет к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь — это примесь с мень­шей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «ды­рок». Проводимость будет «дырочной», а полупро­водник называют полупроводником p-типа. Напри­мер, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».

Принцип действия большинства полупровод­никовых приборов основан на свойствах р-п перехо­да. При приведении в контакт двух полупроводнико­вых приборов р-типа и n-типа в месте контакта на­чинается диффузия электронов из n-области в p-область, а «дырок» — наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечный во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».

р-п контакт полупроводников, подобно ваку­умному диоду, обладает односторонней проводи­мостью: если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запираю­щий слой разрушится и р-п контакт будет проводить ток, электроны из области n- пойдут в р-область, а «дырки» из p-области в n-область (рис. 23). В первом случае ток не равен нулю, во втором ток равен нулю. Т. е., если к p-области под­ключить «-» источника, а к n-области — «+» источника то­ка, то запирающий слой рас­ширится и тока не будет.

Полупроводниковый диод состоит из контакта двух полупроводников р- и n-типа. Достоин­ством полупроводникового диода являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент по­лезного действия, а недостатком — зависимость их сопротивления от температуры.

В радиоэлектронике применяется также еще один полупроводниковый прибор: транзистор, кото­рый был изобретен в 1948 г. В основе триода лежит не один, а два р-п перехода. Основное применение транзистора — это использование его в качестве уси­лителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве выпрямителя тока. После открытия транзистора на­ступил качественно новый этап развития электрони­ки — микроэлектроники, поднявший на качественно иную ступень развитие электронной техники, систем связи, автоматики. Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой назы­вают совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов — транзисторов, диодов, резисторов, со­единительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе. В результате этого про­цесса на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, ре­зисторов и диодов, до 3500. Размеры отдельных эле­ментов микросхемы могут быть 2—5 мкм, погреш­ность при их нанесении не должна превышать 0,2 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ, разме­щенный на кристалле кремния размером 6х6 мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов.

Однако в технике применяются также полу­проводниковые приборы без р-п перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры), фото­резисторы (в фотореле, аварийных выключателях, в дистанционных управлениях телевизорами и видео­магнитофонами).

Билет № 25

1. Ядерные реакции. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор.
Нейтроны приводят к делению ядра урана и освобождению огромной энергии. Продуктами этой ядерной реакции являются нейтроны, что даёт возможность осуществить цепную ядерную реакцию деления ядер урана.

Ядерными реакциями называют превращения атомных ядер при взаимодействии их между собой, с элементарными частицами (например, протонами, нейтронами или электронами) и квантами g-излучения. Для ядерной реакции необходимо, чтобы участвующие в ней ядра или частицы подошли друг к другу на расстояние, сравнимое с размером ядра (10-15 м). Нейтроны, даже не обладая большой скоростью, могут подойти к самому ядру, т.к. они электронейтральны. Наоборот, положительно заряженные частицы должны изначально обладать большой кинетической энергией, чтобы оказаться так близко к положительно заряженному ядру. Источниками таких высокоэнергетичных частиц могут быть радиоактивные препараты и ускорители заряженных частиц. В лабораторных условиях ядерная реакция впервые была проведена Резерфордом, когда он бомбардировал ядра азота a-частицами, в результате чего эти ядра превращались в ядра кислорода, что можно записать в виде:

.

Ядерные реакции могут происходить как с поглощением, так и с выделением энергии. Энергию, освобождающуюся или поглощаемую при ядерной реакции, называют энергетическим выходом ядерной реакции. Согласно закону сохранения энергии и теории относительности, устанавливающей связь между массой покоящегося ядра и его энергией, энергетический выход DЕ ядерной реакции равен:

DЕ = Dmc2, (39.1)

где Dm – разность между суммарной массой частиц и ядер, вступающих в реакцию и продуктов реакции. Если Dm >0, то ядерная реакция проходит с выделением энергии, а если Dm <0, то - с поглощением.

Примером ядерной реакции, идущей с выделением энергии, является деление ядер изотопа урана при облучении их «медленными» нейтронами, т.е. с кинетической энергией порядка 0,1 МэВ. Такую ядерную реакцию с образованием ядер ксенона и стронция можно записать в виде:

Используя формулу (39.1), можно вычислить, что энергетический выход реакции (39.2) составляет около 184 МэВ. Таким образом, при делении всех ядер, содержащихся в 1 г этого изотопа урана, выделится энергия около 7,5.1010 Дж, что эквивалентно энергии, получаемой при сжигании 2,5 тонн угля. Выделение такой огромной энергии при делении атомных ядер с массовым числом около 200 связано с тем, что удельная энергия связи этих ядер примерно на 1 МэВ меньше удельной энергии связи ядер с массовым около 100 (см. рис. 37).

Механизм деления тяжелого ядра под действием нейтрона можно объяснить, считая ядро капелькой заряженной жидкости (рис. 39а). В отсутствии внешних воздействий ядерные сил притяжения удерживают ядро от распада, придавая ему сферическую форму. Однако, поглотив нейтрон, ядро деформируется, принимая продолговатую форму, и сразу «короткодействующие» ядерные силы притяжения между областями R и L (см. рис. 39а) становятся меньше кулоновских сил их отталкивания, в результате чего ядро разрывается на две части.

Нейтроны, как показывает уравнение деления ядра (39.2), не только вызывают эту реакцию, но и являются её продуктами. А это значит, что любой из двух образовавшихся вторичных нейтронов или нейтронов 2-го поколения (рис. 39б) может вызвать деление соседних ядер , при делении которых возникнут нейтроны 3-го поколения и т.д., в результате чего число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются как продукты этих реакций, называют цепными ядерными реакциями.

 

Рис. 39. (а) – различные моменты деления ядра (сверху-вниз, капельная модель); (б) – схема цепной ядерной реакции (слева-направо).

При коэффициенте размножения нейтронов близким к единице, цепная ядерная реакция становится управляемой, а энергию, освобождающуюся в этой реакции, можно использовать для получения электрической энергии

При делении каждого ядра урана освобождается огромная энергия. Эта цепная реакция будет протекать и являться источником энергии до тех пор, пока число порождаемых ею нейтронов не начнёт уменьшаться. Отношение числа нейтронов в одном каком-либо поколении цепной реакции к числу нейтронов предшествующего поколения называют коэффициентом размножения нейтронов, k. Если k > 1, то число делящихся ядер урана лавинообразно возрастает, температура урана и других близлежащих веществ резко увеличивается, достигая миллионов градусов, в результате чего образуется раскалённый газообразный шар, который, расширяясь, всё сжигает и разрушает вокруг. Это явление называют ядерным взрывом. Для осуществления ядерных взрывов изготовляют атомные бомбы. Первые атомные бомбы были сделаны в США и применены в 1945 году, когда их взрывы уничтожили японские города Хиросима и Нагасаки.

Если коэффициент размножения нейтронов равен 1, то число делящихся ядер урана остаётся постоянным, а значит, энергия, освобождаемая в единицу времени, при этой реакции тоже постоянна, и ядерного взрыва не происходит. Такую цепную реакцию называют управляемой, а устройство, в котором она осуществляется - ядерным реактором. Ядерный реактор позволяет использовать цепную реакцию деления тяжёлых ядер в мирных целях.

Рассмотрим работу ядерного реактора на медленных нейтронах, предназначенного для ядер , которые гораздо эффективнее делятся под действием, именно, медленных нейтронов. Энергия у большинства нейтронов, образовавшихся при делении ядер урана, составляет 1-2 МэВ, что гораздо больше, чем должно быть у медленных нейтронов. Поэтому, чтобы цепная реакция протекала, образующиеся при реакции нейтроны замедляют с помощью специальных веществ, называемых замедлителями. Хорошими замедлителями являются ядра атомов с малым массовым числом, не способные поглощать нейтроны. В качестве замедлителей в ядерном реакторе используют обычную воду, тяжёлую воду (D2O) и графит. Чтобы коэффициент размножения нейтронов в ядерном реакторе был близок к единице, используют поглотители - специальные вещества, поглощающие лишние нейтроны. В качестве поглотителей обычно применяют стержни, сделанные из соединений бора и кадмия.

Устройство ядерного реактора на медленных нейтронах, приводящего в движение турбину и электрогенератор атомной электростанции, показано на рис. 40. Управляемая цепная ядерная реакция протекает в активной зоне 1 реактора, заполненной замедлителем и ядерным горючим. Чтобы увеличить коэффициент отражения нейтронов, активную зону окружают отражателем нейтронов 2. Изменяя глубину погружения регулирующих стержней 3, сделанных из поглотителя нейтронов, поддерживают коэффициент размножения нейтронов, близким к единице. Защитой от радиоактивности, мощным источником которой является ядерный реактор, служит толстая оболочка из железобетона 4.

Отвод энергии, образующейся при ядерной реакции, осуществляется путём циркуляции теплоносителя 5 (воды или металла с низкой температурой плавления) между активной зоной и парогенератором 6. В парогенераторе эта энергия превращает воду в пар высокого давления 7, который затем вращает турбину 8 и электрогенератор 9. Из турбины пар поступает в конденсатор К, где превращается в воду, которую насос Н закачивают обратно в парогенератор.

Первая в мире атомная электростанция была построена в г. Обнинске (СССР) в 1954 г. Разработка и конструирование ядерных реакторов было проведено под руководством советского физика И.В. Курчатова.

Вопросы для повторения:

Что называют коэффициентом размножения нейтронов?

Какую цепную ядерную реакцию называют управляемой, и где она идёт?

Что называют замедлителями и поглотителями нейтронов?

Опишите устройство и работу реактора на медленных нейтронах.

 

Рис. 40. Схема устройства ядерного реактора атомной электростанции.

 

Билет № 26