การนำเสนอในหัวข้อตัวนำและไดอิเล็กทริก การนำเสนอในหัวข้อ "ตัวนำในสนามไฟฟ้า" มีอิเล็กตรอนอิสระ
ตัวนำในสนามไฟฟ้า ประจุฟรี - อนุภาคที่มีประจุที่มีสัญลักษณ์เดียวกันสามารถเคลื่อนที่ได้ภายใต้อิทธิพล สนามไฟฟ้าประจุที่ถูกผูกไว้คือประจุที่อยู่ตรงข้ามกันซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของอะตอม (หรือโมเลกุล) ที่ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าโดยแยกจากกัน สาร ตัวนำ ไดอิเล็กทริก สารกึ่งตัวนำ
ตัวกลางใดๆ ก็ตามจะทำให้ความแรงของสนามไฟฟ้าอ่อนลง
ลักษณะทางไฟฟ้าของตัวกลางถูกกำหนดโดยการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุในตัวมัน
ตัวนำ: โลหะ สารละลายเกลือ กรด อากาศชื้น พลาสมา ร่างกายมนุษย์
นี่คือร่างกายที่มีปริมาณอิสระเพียงพอ ค่าไฟฟ้าซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า
หากคุณนำตัวนำที่ไม่มีประจุเข้าไปในสนามไฟฟ้า ตัวพาประจุจะเริ่มเคลื่อนที่ มีการกระจายเพื่อให้สนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นอยู่ตรงข้ามกับสนามภายนอกนั่นคือสนามภายในตัวนำจะอ่อนลง ประจุจะถูกกระจายไปจนกว่าจะตรงตามเงื่อนไขความสมดุลของประจุบนตัวนำ นั่นคือ:
ตัวนำที่เป็นกลางถูกใส่เข้าไปในสนามไฟฟ้าจะทำให้เส้นแรงดึงขาด สิ้นสุดที่ประจุเหนี่ยวนำลบและเริ่มต้นที่ประจุบวก
ปรากฏการณ์การแยกประจุเชิงพื้นที่เรียกว่าการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต สนามตัวเองของประจุเหนี่ยวนำจะชดเชยสนามภายนอกภายในตัวนำด้วยความแม่นยำสูง
ถ้าตัวนำมีช่องภายใน สนามจะหายไปภายในช่องนั้น กรณีนี้ใช้ในการจัดระเบียบการป้องกันอุปกรณ์จากสนามไฟฟ้า
กระแสไฟฟ้าของตัวนำในสนามไฟฟ้าสถิตภายนอกโดยการแยกประจุบวกและลบที่มีอยู่ในนั้นในปริมาณที่เท่ากันเรียกว่าปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตและประจุที่กระจายซ้ำนั้นเรียกว่าการเหนี่ยวนำ ปรากฏการณ์นี้สามารถใช้เพื่อทำให้เกิดไฟฟ้าให้กับตัวนำที่ไม่มีประจุได้
ตัวนำที่ไม่มีประจุสามารถถูกไฟฟ้าได้โดยการสัมผัสกับตัวนำที่มีประจุอื่น
การกระจายประจุบนพื้นผิวตัวนำขึ้นอยู่กับรูปร่าง ความหนาแน่นประจุสูงสุดจะสังเกตได้ที่จุดต่างๆ และภายในช่องจะลดลงเหลือน้อยที่สุด
คุณสมบัติของประจุไฟฟ้าที่กระจุกตัวอยู่ที่ชั้นผิวของตัวนำพบว่ามีประโยชน์ในการหาความต่างศักย์ที่มีนัยสำคัญโดยวิธีไฟฟ้าสถิต ในรูป แสดงแผนภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตที่ใช้ในการเร่งอนุภาคมูลฐาน
ตัวนำทรงกลม 1 ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ตั้งอยู่บนเสาฉนวน 2 เทปไดอิเล็กทริกแบบปิด 3 เคลื่อนที่ภายในคอลัมน์โดยขับดรัม 4 จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงสูง ประจุแบบผสมผสานจะถูกส่งผ่านระบบของตัวนำปลายแหลม 5 ไปยัง เทปที่ด้านหลังของเทปจะมีแผ่นกราวด์ 6 ประจุจากเทปจะถูกลบออกโดยระบบจุดที่ 7 และไหลเข้าสู่ทรงกลมนำไฟฟ้า ประจุสูงสุดที่สามารถสะสมบนทรงกลมถูกกำหนดโดยการรั่วไหลจากพื้นผิวของตัวนำทรงกลม ในทางปฏิบัติด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีการออกแบบคล้ายกันซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางทรงกลม 10–15 ม. จึงเป็นไปได้ที่จะได้รับความต่างศักย์ประมาณ 3–5 ล้านโวลต์ เพื่อเพิ่มประจุของทรงกลม บางครั้งโครงสร้างทั้งหมดจะถูกวางไว้ในกล่องที่เต็มไปด้วยก๊าซอัด ซึ่งจะลดความเข้มข้นของไอออไนซ์
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
สไลด์ 2
ตัวนำและไดอิเล็กตริกในสนามไฟฟ้า อนุภาคที่มีประจุซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในสนามไฟฟ้าเรียกว่าประจุอิสระ และสารที่บรรจุอยู่เรียกว่าตัวนำ ตัวนำได้แก่ โลหะ สารละลายของเหลว และอิเล็กโทรไลต์หลอมเหลว ประจุอิสระในโลหะคืออิเล็กตรอนของเปลือกนอกของอะตอมที่สูญเสียการสัมผัสกับพวกมัน อิเล็กตรอนเหล่านี้เรียกว่าอิเล็กตรอนอิสระ สามารถเคลื่อนที่อย่างอิสระผ่านตัวโลหะไปในทิศทางใดก็ได้ ภายใต้สภาวะไฟฟ้าสถิต เช่น เมื่อประจุไฟฟ้าคงที่ ความแรงของสนามไฟฟ้าภายในตัวนำจะเป็นศูนย์เสมอ อันที่จริง ถ้าเราสมมุติว่ายังมีสนามอยู่ภายในตัวนำ ประจุอิสระที่อยู่ในนั้นจะถูกกระทำโดยแรงไฟฟ้าตามสัดส่วนของความแรงของสนาม และประจุเหล่านี้จะเริ่มเคลื่อนที่ ซึ่งหมายความว่าสนามจะหยุด เป็นไฟฟ้าสถิต ดังนั้นจึงไม่มีสนามไฟฟ้าสถิตภายในตัวนำ
สไลด์ 3
สารที่ไม่มีค่าใช้จ่ายฟรีเรียกว่าไดอิเล็กทริกหรือฉนวน ตัวอย่างของไดอิเล็กทริกได้แก่ ก๊าซต่างๆ ของเหลวบางชนิด (น้ำ น้ำมันเบนซิน แอลกอฮอล์ ฯลฯ) รวมถึงของแข็งหลายชนิด (แก้ว เครื่องเคลือบดินเผา ลูกแก้ว ยาง ฯลฯ) อิเล็กทริกมีสองประเภท - มีขั้วและไม่มีขั้ว ในโมเลกุลไดอิเล็กตริกเชิงขั้ว ประจุบวกจะอยู่ในส่วนใดส่วนหนึ่งของมัน (ขั้ว “+”) และประจุลบจะอยู่ที่อีกขั้วหนึ่ง (ขั้ว “-”) ในอิเล็กทริกที่ไม่มีขั้ว ประจุบวกและลบจะกระจายเท่ากันทั่วทั้งโมเลกุล โมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าเป็นปริมาณทางกายภาพของเวกเตอร์ที่แสดงคุณลักษณะทางไฟฟ้าของระบบของอนุภาคที่มีประจุ (การกระจายประจุ) ในแง่ของสนามที่มันสร้างขึ้นและการกระทำของสนามภายนอกบนมัน ระบบประจุที่ง่ายที่สุดซึ่งมีโมเมนต์ไดโพลที่ไม่เป็นศูนย์ (ไม่ขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิดที่เลือก) คือไดโพล (อนุภาคสองจุดที่ประจุตรงข้ามกันที่มีขนาดเท่ากัน)
สไลด์ 4
ค่าสัมบูรณ์ของโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าของไดโพลเท่ากับผลคูณของขนาดของประจุบวกและระยะห่างระหว่างประจุ และถูกส่งจากประจุลบไปยังประจุบวก หรือ: โดยที่ q คือขนาดของประจุ , l เป็นเวกเตอร์ที่มีจุดเริ่มต้นอยู่ในประจุลบ และจุดสิ้นสุดอยู่ในประจุบวก สำหรับระบบที่มีอนุภาค N โมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าคือ: หน่วยระบบสำหรับโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าไม่มีชื่อพิเศษ ใน SI เป็นเพียง Kl·m โมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าของโมเลกุลมักจะวัดเป็นเดบาย: 1 D = 3.33564·10−30 C m
สไลด์ 5
โพลาไรซ์อิเล็กทริก เมื่ออิเล็กทริกถูกนำเข้าสู่สนามไฟฟ้าภายนอก การกระจายตัวของประจุที่ประกอบเป็นอะตอมหรือโมเลกุลจะเกิดขึ้นในนั้น จากผลของการกระจายซ้ำ ประจุที่ผูกไว้ซึ่งไม่ได้รับการชดเชยส่วนเกินจะปรากฏบนพื้นผิวของตัวอย่างอิเล็กทริก อนุภาคที่มีประจุทั้งหมดที่ก่อให้เกิดประจุที่ถูกจับด้วยตาเปล่ายังคงเป็นส่วนหนึ่งของอะตอมของพวกมัน ประจุที่ถูกผูกไว้จะสร้างสนามไฟฟ้า ซึ่งภายในอิเล็กทริกจะมีทิศทางตรงข้ามกับเวกเตอร์ของความแรงของสนามไฟฟ้าภายนอก กระบวนการนี้เรียกว่าโพลาไรซ์อิเล็กทริก เป็นผลให้สนามไฟฟ้าทั้งหมดภายในอิเล็กทริกกลายเป็นค่าสัมบูรณ์น้อยกว่าสนามภายนอก ปริมาณทางกายภาพเท่ากับอัตราส่วนของโมดูลัสของความแรงของสนามไฟฟ้าภายนอกในสุญญากาศ E0 ต่อโมดูลัสของความแรงของสนามทั้งหมดในอิเล็กทริก E ที่เป็นเนื้อเดียวกันเรียกว่าค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของสาร:
สไลด์ 6
มีกลไกหลายประการสำหรับโพลาไรเซชันของไดอิเล็กทริก สิ่งสำคัญคือการปฐมนิเทศและโพลาไรซ์ที่ผิดรูป โพลาไรซ์เชิงทิศทางหรือไดโพลเกิดขึ้นในกรณีของไดอิเล็กทริกเชิงขั้วที่ประกอบด้วยโมเลกุลซึ่งจุดศูนย์กลางการกระจายของประจุบวกและลบไม่ตรงกัน โมเลกุลดังกล่าวเป็นไดโพลไฟฟ้าด้วยกล้องจุลทรรศน์ซึ่งเป็นการรวมกันที่เป็นกลางของประจุสองชนิดซึ่งมีขนาดเท่ากันและมีเครื่องหมายตรงกันข้ามซึ่งอยู่ห่างจากกัน ตัวอย่างเช่น โมเลกุลของน้ำ เช่นเดียวกับโมเลกุลของไดอิเล็กตริกอื่นๆ อีกจำนวนหนึ่ง (H2S, NO2 เป็นต้น) มีโมเมนต์ไดโพล ในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอก แกนของไดโพลโมเลกุลจะถูกวางทิศทางแบบสุ่มเนื่องจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ดังนั้นประจุไฟฟ้าจะอยู่ที่ศูนย์โดยเฉลี่ยบนพื้นผิวของอิเล็กทริกและในองค์ประกอบปริมาตรใดๆ เมื่ออิเล็กทริกถูกนำเข้าสู่สนามภายนอก การวางแนวบางส่วนของไดโพลโมเลกุลจะเกิดขึ้น เป็นผลให้ประจุที่ถูกจับด้วยตาเปล่าที่ไม่ได้รับการชดเชยปรากฏบนพื้นผิวของอิเล็กทริก ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่พุ่งตรงไปยังสนามภายนอก
สไลด์ 7
โพลาไรเซชันของขั้วไดอิเล็กทริกขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมาก เนื่องจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลมีบทบาทเป็นปัจจัยที่ทำให้สับสน รูปนี้แสดงให้เห็นว่าในสนามภายนอก แรงที่มีทิศทางตรงกันข้ามกระทำต่อขั้วตรงข้ามของโมเลกุลไดอิเล็กทริกเชิงขั้ว ซึ่งพยายามหมุนโมเลกุลไปตามเวกเตอร์ความแรงของสนาม
สไลด์ 8
กลไกการเปลี่ยนรูป (หรือยืดหยุ่น) ปรากฏขึ้นในระหว่างการโพลาไรเซชันของไดอิเล็กตริกที่ไม่มีขั้ว ซึ่งโมเลกุลนั้นไม่มีโมเมนต์ไดโพลในกรณีที่ไม่มีสนามภายนอก ในระหว่างโพลาไรซ์อิเล็กทรอนิกส์ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า เปลือกอิเล็กทรอนิกส์ของไดอิเล็กทริกที่ไม่มีขั้วจะมีรูปร่างผิดปกติ - ประจุบวกจะถูกแทนที่ด้วยทิศทางของเวกเตอร์และประจุลบในทิศทางตรงกันข้าม เป็นผลให้แต่ละโมเลกุลกลายเป็นไดโพลไฟฟ้าซึ่งมีแกนกำกับไปตามสนามภายนอก ประจุที่ถูกผูกไว้ซึ่งไม่ได้รับการชดเชยจะปรากฏบนพื้นผิวของอิเล็กทริก ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กของตัวเองพุ่งตรงไปยังสนามภายนอก นี่คือวิธีที่โพลาไรเซชันของอิเล็กทริกที่ไม่มีขั้วเกิดขึ้น ตัวอย่างของโมเลกุลที่ไม่มีขั้วคือโมเลกุลมีเทน CH4 ในโมเลกุลนี้ คาร์บอนไอออน C4 ที่แตกตัวเป็นไอออนสี่เท่านั้นตั้งอยู่ในใจกลางของปิรามิดปกติที่จุดยอดซึ่งมีไฮโดรเจนไอออน H+ เมื่อใช้สนามแม่เหล็กภายนอก ไอออนคาร์บอนจะถูกแทนที่จากศูนย์กลางของปิรามิด และโมเลกุลจะพัฒนาโมเมนต์ไดโพลตามสัดส่วนของสนามภายนอก
สไลด์ 9
ในกรณีของไดอิเล็กตริกผลึกแข็งจะสังเกตประเภทของโพลาไรเซชันที่ผิดรูป - ที่เรียกว่าโพลาไรเซชันไอออนิกซึ่งไอออนของสัญญาณต่าง ๆ ที่ประกอบเป็นตาข่ายคริสตัลเมื่อใช้สนามภายนอกจะถูกแทนที่ในทิศทางตรงกันข้าม เช่น ผลที่ตามมาคือประจุที่ถูกผูกไว้ (ไม่มีการชดเชย) ปรากฏบนหน้าปัดคริสตัล ตัวอย่างของกลไกดังกล่าวคือโพลาไรเซชันของผลึก NaCl โดยที่ Na+ และ Cl– ไอออนจะก่อตัวเป็นโครงย่อยสองอันซ้อนกันอยู่ภายในกันและกัน ในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก แต่ละหน่วยเซลล์ของผลึก NaCl จะมีความเป็นกลางทางไฟฟ้าและไม่มีโมเมนต์ไดโพล ในสนามไฟฟ้าภายนอก โครงย่อยทั้งสองจะถูกแทนที่ด้วยทิศทางตรงกันข้าม กล่าวคือ คริสตัลมีโพลาไรซ์
สไลด์ 10
รูปนี้แสดงให้เห็นว่าสนามภายนอกกระทำต่อโมเลกุลของอิเล็กทริกที่ไม่มีขั้วซึ่งเคลื่อนที่ประจุตรงข้ามภายในนั้นไปในทิศทางที่ต่างกัน ซึ่งส่งผลให้โมเลกุลนี้มีลักษณะคล้ายกับโมเลกุลของอิเล็กทริกเชิงขั้วซึ่งวางตัวตามแนวเส้นสนาม การเสียรูปของโมเลกุลที่ไม่มีขั้วภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายนอกไม่ได้ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ดังนั้น โพลาไรเซชันของอิเล็กทริกที่ไม่มีขั้วจึงไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ
สไลด์ 11
พื้นฐานของทฤษฎีแบนด์ของของแข็ง ทฤษฎีแบนด์เป็นหนึ่งในส่วนหลักของทฤษฎีควอนตัมของของแข็ง ซึ่งอธิบายการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในผลึก และเป็นพื้นฐานของทฤษฎีสมัยใหม่เกี่ยวกับโลหะ เซมิคอนดักเตอร์ และไดอิเล็กทริก สเปกตรัมพลังงานของอิเล็กตรอนในของแข็งแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากสเปกตรัมพลังงานของอิเล็กตรอนอิสระ (ซึ่งต่อเนื่องกัน) หรือสเปกตรัมของอิเล็กตรอนที่เป็นของอะตอมที่แยกได้แต่ละตัว (ไม่ต่อเนื่องกับชุดระดับที่มีอยู่บางชุด) - ประกอบด้วยแถบพลังงานที่อนุญาตแต่ละรายการ แยกจากกันด้วยแถบพลังงานต้องห้าม ตามหลักกลศาสตร์ควอนตัมของ Bohr พลังงานของอิเล็กตรอนสามารถรับค่าที่ไม่ต่อเนื่องอย่างเคร่งครัดในอะตอมที่แยกได้ (อิเล็กตรอนมีพลังงานที่แน่นอนและอยู่ในวงโคจรวงใดวงหนึ่ง)
สไลด์ 12
ในกรณีของระบบที่ประกอบด้วยอะตอมหลายอะตอมรวมกันด้วยพันธะเคมี ระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์จะถูกแบ่งตามปริมาณตามสัดส่วนของจำนวนอะตอม การวัดการแยกจะถูกกำหนดโดยการโต้ตอบ เปลือกอิเล็กตรอนอะตอม เมื่อระบบเพิ่มขึ้นอีกในระดับมหภาค จำนวนระดับจะมีขนาดใหญ่มากและความแตกต่างของพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรข้างเคียงนั้นมีขนาดเล็กมากตามลำดับ - ระดับพลังงานจะถูกแบ่งออกเป็นสองชุดที่แยกจากกันเกือบต่อเนื่องกัน - พลังงาน โซน
สไลด์ 13
แถบพลังงานสูงสุดที่อนุญาตในเซมิคอนดักเตอร์และไดอิเล็กทริกซึ่งที่อุณหภูมิ 0 K สถานะพลังงานทั้งหมดถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอนเรียกว่าแถบวาเลนซ์ส่วนถัดไปคือแถบการนำ ตามหลักการของการจัดเรียงสัมพัทธ์ของโซนเหล่านี้ ของแข็งทั้งหมดจะถูกแบ่งออกเป็นสามกลุ่มใหญ่: ตัวนำ - วัสดุที่แถบการนำไฟฟ้าและแถบเวเลนซ์ทับซ้อนกัน (ไม่มีช่องว่างพลังงาน) ก่อตัวเป็นโซนเดียวที่เรียกว่าแถบการนำไฟฟ้า (ดังนั้น อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ระหว่างพวกมันได้อย่างอิสระโดยได้รับพลังงานต่ำที่อนุญาต) อิเล็กทริก - วัสดุที่โซนไม่ทับซ้อนกันและระยะห่างระหว่างโซนนั้นมากกว่า 3 eV (เพื่อถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากแถบเวเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้าจำเป็นต้องมีพลังงานจำนวนมากดังนั้นไดอิเล็กทริกจึงไม่นำกระแสไฟฟ้าในทางปฏิบัติ) เซมิคอนดักเตอร์ - วัสดุที่แถบไม่ทับซ้อนกันและระยะห่างระหว่างพวกมัน (ช่องว่างของแถบ) อยู่ในช่วง 0.1–3 eV (เพื่อถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้าจำเป็นต้องใช้พลังงานน้อยกว่าสำหรับ อิเล็กทริก ดังนั้น สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์จึงมีความนำไฟฟ้าอ่อน)
สไลด์ 14
ช่องว่างแถบความถี่ (ช่องว่างพลังงานระหว่างแถบวาเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้า) เป็นปริมาณสำคัญในทฤษฎีแถบความถี่และเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางแสงและทางไฟฟ้าของวัสดุ การเปลี่ยนอิเล็กตรอนจากแถบเวเลนซ์ไปเป็นแถบการนำไฟฟ้าเรียกว่ากระบวนการสร้างตัวพาประจุ (ลบ - อิเล็กตรอนและรูบวก - รู) และการเปลี่ยนผ่านแบบย้อนกลับเรียกว่ากระบวนการรวมตัวกันใหม่
สไลด์ 15
เซมิคอนดักเตอร์เป็นสารที่มีช่องว่างของแถบความถี่ตามคำสั่งของอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) หลายตัว ตัวอย่างเช่น เพชรสามารถจัดเป็นสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างกว้าง และอินเดียมอาร์เซไนด์สามารถจัดเป็นสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างแคบได้ เซมิคอนดักเตอร์มีมากมาย องค์ประกอบทางเคมี(เจอร์เมเนียม, ซิลิคอน, ซีลีเนียม, เทลลูเรียม, สารหนูและอื่น ๆ ), โลหะผสมและสารประกอบเคมีจำนวนมาก (แกลเลียมอาร์เซไนด์ ฯลฯ ) เซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุดในธรรมชาติคือซิลิคอน ซึ่งคิดเป็นเกือบ 30% ของเปลือกโลก เซมิคอนดักเตอร์เป็นวัสดุที่ครองตำแหน่งตรงกลางระหว่างตัวนำและไดอิเล็กทริกในแง่ของค่าการนำไฟฟ้าจำเพาะ และแตกต่างจากตัวนำโดยขึ้นอยู่กับค่าการนำไฟฟ้าจำเพาะอย่างมากกับความเข้มข้นของสิ่งเจือปน อุณหภูมิ และการสัมผัสกับรังสีประเภทต่างๆ คุณสมบัติหลักของเซมิคอนดักเตอร์คือการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น
สไลด์ 16
เซมิคอนดักเตอร์มีลักษณะทั้งคุณสมบัติของตัวนำและไดอิเล็กทริก ในผลึกเซมิคอนดักเตอร์ อิเล็กตรอนต้องการพลังงานประมาณ 1-2 10−19 J (ประมาณ 1 eV) เพื่อปล่อยออกมาจากอะตอม เทียบกับ 7-10 10−19 J (ประมาณ 5 eV) สำหรับไดอิเล็กทริก ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเซมิคอนดักเตอร์ และไดอิเล็กทริก พลังงานนี้จะปรากฏในตัวพวกมันเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น (เช่น ที่อุณหภูมิห้อง ระดับพลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอะตอมคือ 0.4·10−19 จูล) และอิเล็กตรอนแต่ละตัวจะได้รับพลังงานเพื่อแยกออกจากนิวเคลียส พวกมันออกจากนิวเคลียสของมัน ก่อตัวเป็นอิเล็กตรอนอิสระและรู เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น จำนวนอิเล็กตรอนอิสระและรูจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นในเซมิคอนดักเตอร์ที่ไม่มีสิ่งเจือปน ความต้านทานไฟฟ้าจะลดลง ตามอัตภาพ องค์ประกอบที่มีพลังงานจับกับอิเล็กตรอนน้อยกว่า 2-3 eV ถือเป็นเซมิคอนดักเตอร์ กลไกการนำไฟฟ้าของรูอิเล็กตรอนแสดงออกมาในเซมิคอนดักเตอร์ดั้งเดิม (นั่นคือไม่มีสิ่งเจือปน) เรียกว่าค่าการนำไฟฟ้าภายในของเซมิคอนดักเตอร์
สไลด์ 17
ความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนอิเล็กตรอนจากแถบเวเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนกับ (-Eg/kT) โดยที่ Eg คือช่องว่างของแถบ ที่ค่า Eg มาก (2-3 eV) ความน่าจะเป็นนี้จะมีน้อยมาก ดังนั้นการแบ่งสารออกเป็นโลหะและอโลหะจึงมีพื้นฐานที่ชัดเจนมาก ในทางตรงกันข้าม การแบ่งอโลหะออกเป็นเซมิคอนดักเตอร์และไดอิเล็กทริกไม่มีพื้นฐานดังกล่าวและมีเงื่อนไขเพียงอย่างเดียว
สไลด์ 18
การนำไฟฟ้าจากภายในและของเจือปน สารกึ่งตัวนำซึ่งมีอิเล็กตรอนอิสระและ "รู" ปรากฏขึ้นระหว่างการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมที่ใช้สร้างคริสตัลทั้งหมดเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าจากภายใน ในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าภายใน ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระจะเท่ากับความเข้มข้นของ "รู" การนำสิ่งเจือปน ผลึกที่มีค่าการนำไฟฟ้าของสิ่งเจือปนมักใช้เพื่อสร้างอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ผลึกดังกล่าวถูกสร้างขึ้นโดยการแนะนำสิ่งเจือปนด้วยอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีแบบเพนตะวาเลนต์หรือไตรวาเลนต์
สไลด์ 19
เซมิคอนดักเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ (ชนิด n) คำว่า "n-type" มาจากคำว่า "negative" ซึ่งหมายถึงประจุลบของพาหะส่วนใหญ่ สิ่งเจือปนของเซมิคอนดักเตอร์เพนตะวาเลนต์ (เช่น สารหนู) จะถูกเติมลงในเซมิคอนดักเตอร์แบบเตตระวาเลนต์ (เช่น ซิลิคอน) ในระหว่างการปฏิสัมพันธ์ แต่ละอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์จะเข้าสู่พันธะโควาเลนต์กับอะตอมของซิลิคอน อย่างไรก็ตาม ไม่มีที่ว่างสำหรับอิเล็กตรอนตัวที่ 5 ของอะตอมอาร์เซนิกในพันธะวาเลนซ์อิ่มตัว และมันจะแตกออกและกลายเป็นอิสระ ในกรณีนี้ การถ่ายโอนประจุจะดำเนินการโดยอิเล็กตรอน ไม่ใช่รู นั่นคือเซมิคอนดักเตอร์ประเภทนี้นำกระแสไฟฟ้าเหมือนกับโลหะ สิ่งเจือปนที่เติมลงในเซมิคอนดักเตอร์จนกลายเป็นเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n เรียกว่าสิ่งเจือปนจากผู้บริจาค
สไลด์ 20
เซมิคอนดักเตอร์แบบรู (p-type) คำว่า "p-type" มาจากคำว่า "positive" ซึ่งหมายถึงประจุบวกของตัวพาส่วนใหญ่ เซมิคอนดักเตอร์ประเภทนี้นอกเหนือจากฐานสิ่งเจือปนแล้วยังมีลักษณะเป็นรูของการนำไฟฟ้าอีกด้วย อะตอมจำนวนเล็กน้อยของธาตุไตรวาเลนต์ (เช่น อินเดียม) จะถูกเติมลงในเซมิคอนดักเตอร์แบบเตตระวาเลนต์ (เช่น ซิลิคอน) อะตอมที่ไม่บริสุทธิ์แต่ละอะตอมจะสร้างพันธะโควาเลนต์กับอะตอมซิลิคอนสามอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง เพื่อสร้างพันธะกับอะตอมซิลิคอนตัวที่ 4 อะตอมอินเดียมไม่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน ดังนั้นมันจึงจับเวเลนซ์อิเล็กตรอนจากพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมซิลิคอนที่อยู่ใกล้เคียง และกลายเป็นไอออนที่มีประจุลบ ส่งผลให้เกิดหลุม สิ่งเจือปนที่เพิ่มในกรณีนี้เรียกว่าสิ่งเจือปนที่เป็นตัวรับ
สไลด์ 21
สไลด์ 22
คุณสมบัติทางกายภาพเซมิคอนดักเตอร์ได้รับการศึกษามากที่สุดเมื่อเปรียบเทียบกับโลหะและไดอิเล็กทริก โดยส่วนใหญ่ สิ่งนี้ได้รับการอำนวยความสะดวกด้วยผลกระทบจำนวนมากที่ไม่สามารถสังเกตได้ในสารใดสารหนึ่งหรือสารอื่น โดยหลักแล้วเกี่ยวข้องกับโครงสร้างของโครงสร้างแถบความถี่ของเซมิคอนดักเตอร์และการมีอยู่ของช่องว่างของแถบความถี่ที่ค่อนข้างแคบ สารประกอบเซมิคอนดักเตอร์แบ่งออกเป็นหลายประเภท: วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ธรรมดา - องค์ประกอบทางเคมีในตัวเอง: โบรอน B, คาร์บอน C, เจอร์เมเนียม Ge, ซิลิคอน Si, ซีลีเนียม Se, ซัลเฟอร์ S, พลวง Sb, เทลลูเรียม Te และไอโอดีน I. เจอร์เมเนียม, ซิลิคอนและซีลีเนียม ส่วนที่เหลือมักใช้เป็นสารเจือปนหรือส่วนประกอบของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ซับซ้อน กลุ่มของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ซับซ้อนประกอบด้วยสารประกอบทางเคมีที่มีคุณสมบัติเซมิคอนดักเตอร์และมีองค์ประกอบทางเคมีสองหรือสามองค์ประกอบขึ้นไป แน่นอนว่าแรงจูงใจหลักในการศึกษาเซมิคอนดักเตอร์คือการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และวงจรรวม
สไลด์ 23
ขอขอบคุณสำหรับความสนใจของคุณ!
ดูสไลด์ทั้งหมด
1. ในกรณีที่ไม่มีสนามภายนอก อนุภาคจะถูกกระจายภายในสารในลักษณะที่สนามไฟฟ้าที่พวกมันสร้างขึ้นนั้นเป็นศูนย์ 2. ในกรณีที่มีสนามภายนอก การกระจายตัวของอนุภาคมีประจุจะเกิดขึ้น และสนามไฟฟ้าของสสารก็เกิดขึ้น ซึ่งประกอบด้วยสนาม E0 ภายนอกและ E/ ภายในที่สร้างขึ้นโดยอนุภาคมีประจุของสสาร สารอะไรที่เรียกว่าตัวนำ? 3. ตัวนำ -
- สารที่มีประจุฟรีซึ่งมีส่วนร่วมในการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนและสามารถเคลื่อนที่ได้ตลอดปริมาตรทั้งหมดของตัวนำ
- 4. ในกรณีที่ไม่มีสนามภายนอกในตัวนำ ประจุอิสระ "-" จะถูกชดเชยด้วยประจุ "+" ของโครงตาข่ายไอออนิก ในสนามไฟฟ้าเกิดขึ้น การแจกจ่ายซ้ำ ค่าธรรมเนียมฟรีซึ่งเป็นผลมาจากประจุ "+" และ "-" ที่ไม่ได้รับการชดเชยปรากฏบนพื้นผิว
- กระบวนการนี้เรียกว่า การเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตและประจุที่ปรากฏบนพื้นผิวตัวนำคือ ค่าเหนี่ยวนำ.
- 8. ไม่มีค่าใช้จ่ายไฟฟ้าฟรีในไดอิเล็กทริก (ฉนวน) ประกอบด้วยอะตอมหรือโมเลกุลที่เป็นกลาง อนุภาคที่มีประจุในอะตอมที่เป็นกลางจะเกาะติดกันและไม่สามารถเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าได้ตลอดปริมาตรทั้งหมดของอิเล็กทริก
- น้ำ, แอลกอฮอล์,
- ไนตริกออกไซด์ (4)
- ก๊าซเฉื่อย ออกซิเจน ไฮโดรเจน เบนซิน โพลีเอทิลีน
- ก) พลังงานศักย์ของประจุ
- B) พลังงานจลน์ของประจุ
- ข) ศูนย์
- A) สิ่งเหล่านี้คือสารที่อนุภาคมีประจุไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า
- B) สิ่งเหล่านี้คือสารที่อนุภาคที่มีประจุสามารถเคลื่อนที่ได้ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า
- A) นี่คือการกระจัดของประจุบวกและลบของไดอิเล็กตริกในทิศทางตรงกันข้าม
- B) นี่คือการกระจัดของประจุบวกและลบของอิเล็กทริกในทิศทางเดียว
- B) นี่คือการจัดเรียงประจุบวกและลบของอิเล็กทริกที่อยู่ตรงกลาง
- ก) ภายในตัวนำ
- B) บนพื้นผิว
- 8. ไดอิเล็กตริกไม่มีขั้ว (Non-polar dielectrics) คือ ไดอิเล็กตริกที่เป็นศูนย์กลางของการกระจายประจุบวกและลบ...
- A) ความจริงที่ว่าสนามไฟฟ้าภายในตัวนำมีค่าสูงสุด
- B) ความจริงที่ว่าไม่มีสนามไฟฟ้าภายในตัวนำ
- A) นี่คือระบบประจุที่มีประจุบวก
- B) นี่คือระบบประจุที่มีประจุลบ
- B) นี่คือระบบประจุที่เป็นกลาง
สไลด์ 1
ตัวนำคือสสารที่มีอนุภาคมีประจุอิสระจำนวนมาก ตัวอย่างเช่นในโลหะสิ่งเหล่านี้คืออิเล็กตรอนของเปลือกนอกซึ่งเชื่อมต่อกับนิวเคลียสของอะตอมอย่างอ่อนมากดังนั้นจึงเป็นของตัวนำโลหะโดยรวม นี่คือสิ่งที่เรียกว่าก๊าซอิเล็กตรอน เกิดจากการมีอยู่ของอนุภาคที่มีประจุซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระตลอดปริมาตรทั้งหมดของตัวนำโลหะซึ่งไม่มีสนามไฟฟ้าภายในโลหะ ไม่มีสนามไฟฟ้าในตัวนำอื่นเช่นกัน พิจารณาสนามไฟฟ้าภายในตัวนำโลหะ......
สไลด์ 2
สไลด์ 3
เพราะ E0 = E1 จากนั้น E = E0-E1= 0 ไม่มีสนามไฟฟ้าภายในตัวนำ
สไลด์ 4
เมื่อประจุอยู่ในสภาวะสมดุล จะไม่มีสนามไฟฟ้าภายในตัวนำ และประจุจะอยู่บนพื้นผิว
สไลด์ 5
อิเล็กทริก
เหล่านี้เป็นสารที่ไม่มีอนุภาคมีประจุอิสระอยู่ข้างใน จำเป็นต้องแยกแยะระหว่างขั้วไดอิเล็กทริกซึ่งจุดศูนย์กลางของประจุบวกและลบไม่ตรงกัน ในไดอิเล็กทริกที่ไม่มีขั้ว จุดศูนย์กลางของประจุบวกและลบจะเกิดขึ้นพร้อมกัน ในสนามไฟฟ้า อิเล็กทริกใดๆ จะกลายเป็นขั้ว
สไลด์ 6
ไดโพล
นี่คือระบบของประจุตรงข้ามกันสองประจุที่เชื่อมต่อกัน ซึ่งจุดศูนย์กลางของประจุบวกและลบไม่ตรงกัน ไดโพลที่วางอยู่ในสนามไฟฟ้าจะต้องมีแรงบิด ทำให้มันปรับทิศทางตัวเองไปตามสนามไฟฟ้า M=F٠L โดยที่ L คือระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของประจุที่ถูกผูกไว้
