物質(zhì)的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

1、第二學(xué)期物理奧賽輔導(dǎo)講義7 物質(zhì)的導(dǎo)電性和半導(dǎo)體的導(dǎo)電性知識(shí)要點(diǎn)一、物質(zhì)的導(dǎo)電性1、金屬中的電流neSvTAqneSvAt金屬導(dǎo)體內(nèi)的電流強(qiáng)度與自由電子的平均定向運(yùn)動(dòng)速率有關(guān)。則心萬(wàn)=由上式可估算出電子的定向運(yùn)動(dòng)速率是很小的，一般為1_5m/s數(shù)量級(jí)，與電子熱運(yùn)動(dòng)的平均速率（約105m/s數(shù)量級(jí)）和“電的傳播速率”（即電場(chǎng)的傳播速率，為3x108m/s、）不能混為一談。2。液體中的電流（1）液體導(dǎo)電包括液態(tài)金屬導(dǎo)電與電解質(zhì)導(dǎo)電兩種。電解質(zhì)導(dǎo)電與金屬導(dǎo)電的機(jī)理不同，固態(tài)金屬導(dǎo)電跟液態(tài)金屬（如汞）導(dǎo)電的載流子是自由電子，在導(dǎo)電過(guò)程中，金屬本身不發(fā)生化學(xué)變化，而電解質(zhì)導(dǎo)電的載流子是正負(fù)離子，在導(dǎo)電過(guò)

2、程中，伴隨著電解現(xiàn)象，在正負(fù)極板處同時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（即電解）。（2）法拉第總結(jié)出了兩條電解定律。第一定律:：電解時(shí)析出物質(zhì)的質(zhì)量m跟通過(guò)電解液的電量Q成正比，用公式表示為：m=kQ=kit式中比例恒量k叫做電化當(dāng)量，其物理意義是：通過(guò)1C電量時(shí)，所析出這種物質(zhì)的質(zhì)量。第二定律：各種物的電化當(dāng)量k與它的化學(xué)當(dāng)量成正比，即k=M/Fn,在化學(xué)中，我們常將M/n稱為“化學(xué)當(dāng)量”，F(xiàn)叫法拉第常量。實(shí)驗(yàn)指出，F(xiàn)=96484C/mol沁9.64x104C/mol將上式代入電解第-這就是法拉第電解定律的統(tǒng)一表達(dá)式。當(dāng)析出物質(zhì)的質(zhì)量m等于該物質(zhì)的化學(xué)當(dāng)量，則F與Q在數(shù)值上相等。3、氣體中的電流通常情況下，氣體

3、不導(dǎo)電。只有在電離劑存在或極強(qiáng)大的電場(chǎng)情況下，氣體才會(huì)被電離而導(dǎo)電。氣體導(dǎo)電既有離子導(dǎo)電，又有電子導(dǎo)電。氣體導(dǎo)電不遵從歐姆定律。由于引起氣體電離的原因不同，可分為被激放電和自激放電。在電離劑（用紫外線、X射線或放射性元素發(fā)出的放射線照射或者用燃燒的火焰照射氣體）的作用下，發(fā)生的氣體放電現(xiàn)象叫做被激放電。沒(méi)有電離劑作用而在高電壓作用下發(fā)生的氣體放電現(xiàn)象叫做自激放電。各種自激放電形式的區(qū)別如下表氣體電離原因陰極發(fā)射電子原因輝光放電電子碰撞被正離了轟擊弧光放電強(qiáng)電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的高溫被正離子轟擊并保持很咼的溫度（主要是熱電子發(fā)射）火花放電主要是電子碰撞還有火花本身的輻射被止離了轟擊電暈放電很強(qiáng)電場(chǎng)的作

4、用（場(chǎng)致電離和碰撞電離）種種自激放電形式間的聯(lián)系主要表現(xiàn)在它們之間可以轉(zhuǎn)化。在放電電流很強(qiáng)時(shí)，輝光放電可以變成弧光放電。若電源的功率很大時(shí)，火花放電可以變成弧光放電。二、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性（1）半導(dǎo)體的導(dǎo)電性導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類物質(zhì)被稱為半導(dǎo)體，如硅、鍺、氧化亞銅等。以硅為例，硅是四價(jià)元素，硅原子最外層四個(gè)價(jià)電子，在形成單晶硅時(shí)，每個(gè)原子都以四個(gè)價(jià)電子與相鄰的四個(gè)原子聯(lián)系。目鄰的兩個(gè)原子就有一對(duì)共有電子，形成共價(jià)鍵。如圖所示。共價(jià)鍵中電子是被束縛的。但是由于熱運(yùn)動(dòng)，極少數(shù)電子可能獲得足夠大能量，掙脫成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位叫空穴，原子是中性的，失去電子后可以看作空穴帶正

5、電，如圖2-7-2所示。這個(gè)空穴很容易被附近共價(jià)鍵中束縛電子填補(bǔ)，形成新的空穴，束縛電子的填補(bǔ)運(yùn)動(dòng)叫空穴運(yùn)動(dòng)，在純凈的半導(dǎo)體中，自由電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)，叫電子空穴對(duì)。半導(dǎo)體的導(dǎo)電是既有電子導(dǎo)電，又有空穴導(dǎo)電。但由于純凈的半導(dǎo)體中，電子空穴對(duì)數(shù)目較少，導(dǎo)電性差。但采取某些措施如加熱或光照，可使更多電子掙脫束縛，形成更多電子一空穴對(duì)，導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)，這種性質(zhì)稱為熱敏特性和光敏特性。同樣在純凈半導(dǎo)體中摻入其他元素，也能使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能加強(qiáng)。（2）N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體及P-N結(jié)在純凈的硅中摻入微量的五價(jià)元素如磷、砷等，一些硅原子空間位置被五價(jià)的原子代替如磷原子。磷在與周?chē)柙有纬晒矁r(jià)鍵時(shí)多出

6、一個(gè)電子，很容易成為一個(gè)自由電子，相應(yīng)原子失去電子成為正離子。這類半導(dǎo)體由于磷的摻入自由電子數(shù)目顯著增多，導(dǎo)致電子濃度比空穴濃度要大得多，因而它主要靠電子導(dǎo)電，叫做電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。在純凈的硅中摻入微量三價(jià)元素如銦、鎵、硼等，同樣在晶體中一些硅原子會(huì)被它們?nèi)〈?。由于形成共價(jià)鍵時(shí)缺少一個(gè)電子，附近共價(jià)鍵中電子很容易來(lái)填補(bǔ)，使得它們成為負(fù)離子，同時(shí)形成一個(gè)空穴。三價(jià)元素的摻入使空穴的數(shù)目增加，這類半導(dǎo)體中空穴濃度要比自由電子濃度大得多，導(dǎo)電主要是空穴導(dǎo)電，因而被稱為空穴型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體。當(dāng)采用特殊工藝使半導(dǎo)體一側(cè)為P型半導(dǎo)體，另一側(cè)成為N型半導(dǎo)體，由于N型半導(dǎo)體中電子濃度大，而P型半導(dǎo)體

7、中空穴濃度大，結(jié)果發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，N區(qū)由于跑掉電子留下正離子，P區(qū)跑掉空穴留下負(fù)離子，在它們的交界處附近形成一個(gè)電場(chǎng)，如圖2-7-3所示，顯然這個(gè)電場(chǎng)區(qū)是阻止它們擴(kuò)散的，當(dāng)該阻擋層達(dá)穩(wěn)定時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這個(gè)電場(chǎng)區(qū)阻擋層叫PN結(jié)。在PN結(jié)的N區(qū)和P區(qū)各引一電極就構(gòu)成一晶體二極管。晶體二極管對(duì)應(yīng)正、負(fù)極及符號(hào)如圖2-7-4所示。晶體二極管加正向電壓時(shí)（P接電源“+”極，N接電源“-”極），外電場(chǎng)與阻擋電場(chǎng)疊加，使PN結(jié)阻擋層變薄，這時(shí)P區(qū)空穴、N區(qū)電子又可順利通過(guò)PN結(jié)，且外加電壓大，這種作用對(duì)電子、空穴運(yùn)動(dòng)更有利。而電壓反向時(shí)，會(huì)使阻擋層加厚，只有P區(qū)自由電子和N區(qū)空穴能通過(guò)PN結(jié)形成反

8、向電流，但是它們的濃度太小，粗略地認(rèn)為幾乎沒(méi)有反向電流。因而二極管表現(xiàn)為單向?qū)щ娞匦裕浞蔡匦郧€如圖3-2-5所示。阻檔層電場(chǎng)方向+圖-2-7-32圖2-7-4圖3-2-5（3）晶體三極管口號(hào)，b晶體三極管由兩個(gè)PN結(jié)、三個(gè)電極線和管殼構(gòu)成，分PNP型和NPN型兩類，如圖2-7-6所示。它的三個(gè)電極e、b、c分別稱為發(fā)射極、基極、集電極。三極管特性是放大作用，聯(lián)接電路如圖2-7-7所示。微小的基極電流變化能引起集電流較大變化。所以在輸入端加一個(gè)較弱的信號(hào)，在輸出端RcI=I+I=I+I0cb放大倍數(shù)B集電結(jié)CC圖2-7-9發(fā)射結(jié)三極管電流分配關(guān)系ec圖2-7-7圖2-7-6典型例題2.92

9、g例1、把的食鹽溶解在1L的水中，測(cè)得44%的食鹽分子發(fā)生電離。若鈉離子的遷移率（單位電場(chǎng)強(qiáng)度所產(chǎn)生的平均速率）為4.5%1一8m2/sV，氯離子的遷移率為6.67x10-8m2/s-V。求食鹽溶液的電阻率。例2、已知電弧放電是氣體自發(fā)放電的一種形式，它具有下降得伏安特性曲線，換言之，電流I越大，電弧的兩個(gè)電極之間的電壓Ua,b越小：U二a+：.如圖所示，把“穩(wěn)定”電阻R和弧光燈串聯(lián)接到aI電動(dòng)勢(shì)E=200V的電源兩端，電阻R的作用使燈發(fā)光穩(wěn)定。忽略電源的內(nèi)阻和導(dǎo)線電阻，求能使弧光燈穩(wěn)定發(fā)光且釋放的功率不小于電源消耗功率一半的所有電阻R的值。第二學(xué)期物理奧賽輔導(dǎo)講義7第二學(xué)期物理奧賽輔導(dǎo)講義7 例3、如圖所示，一塊厚度為d的半導(dǎo)體放在垂直于板Q面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中，當(dāng)有穩(wěn)恒電流I垂直于磁場(chǎng)方向通過(guò)樣品板時(shí)，在板的前、后側(cè)面之間有一恒定電勢(shì)差U,且后側(cè)面電勢(shì)較前側(cè)面電勢(shì)高。（1）判斷這樣品板是P型的還是N型的。（2）它的載流子密度是多大？例4、用多用表歐姆檔測(cè)量晶體二極管的正向電阻時(shí)，用RX100檔和RXlk檔，測(cè)量結(jié)果不同，這是為什么？用哪一檔測(cè)的電阻值大？鞏固練習(xí)1、當(dāng)點(diǎn)解水時(shí)，在時(shí)間t=25min內(nèi)通過(guò)點(diǎn)解槽的電流I=20A。這時(shí)得到體積V=1L的氧氣，它的壓強(qiáng)p=2.026X105