Wstęp teoretyczny.
Półprzewodniki.
Przewodniki są to krystaliczne ciała stałe charakteryzujące się tym, że ich przewodność elektryczna:
- rośnie szybko w szerokim zakresie wraz z temperaturą,
- wykazują dużą wrażliwość na niezmiernie małe ilości niektórych domieszek.
Grupa tych materiałów ze względu na przewodnictwo elektryczne znajduje się pomiędzy metalami a dielektrykami (materiałami izolacyjnymi).
Dobra przewodność metali wynika z ich budowy atomowej. Metal składa się z atomów, które łączą się z sobą tak, że jeden zewnętrzny elektron każdego z atomów jest odrzucany. Te odrzucone elektrony nazywają się elektronami swobodnymi i tworzą w bryle metalu „gaz elektronowy”, który zapewnia dobrą przewodność elektryczną.
W dielektryku zewnętrzne elektrony jednego atomu łączą się w pary z elektronami sąsiedniego atomu. Te pary wykorzystują wszystkie elektrony zewnętrzne i w bryle materiału izolacyjnego nie ma praktycznie elektronów swobodnych. Dlatego elektrony nie przewodzą prądu elektrycznego.
Budowa półprzewodników jest podobna do budowy atomowej dielektryków. Różnica polega na tym, że wiązania w półprzewodnikach są dużo słabsze niż w dielektrykach. I dlatego w bryle materiału półprzewodnikowego w zwykłych warunkach temperaturowych znajduje się wiele elektronów swobodnych. Miejsce po opuszczonym elektronie nazywa się dziurą. Ponieważ elektron opuszczający wiązanie przeniósł ujemny ładunek z obszaru obojętnego dotychczas elektrycznie, dlatego utworzona dziura jest obszarem wypadkowego ładunku dodatniego. W większości rozważań można traktować dziurę jako naładowaną cząstkę, poruszającą się swobodnie w krysztale. Stąd wynika, że w półprzewodnikach prąd elektryczny może być utworzony przez ruch elektronów swobodnych i dziurę. Ruch dziur w półprzewodniku odbywa się w ten sposób, że elektron z sąsiedniego kompletnego wiązania może łatwo przenieść się „wskoczyć” do wiązania zerowego, pozostawiając za sobą zerwane wiązanie- dziurę.
W czystym przewodniku liczba dziur i elektronów swobodnych jest taka sama. Przewodnictwo w takich półprzewodnikach nazywa się przewodnictwem samoistnym.
Najszersze zastosowania w elektronice znalazły takie półprzewodniki, jak german i krzem.
Nadprzewodnictwo.
Interesującą własność wykazują niektóre metale w temperaturach bliskich zera bezwzględnego. Opór właściwy większości metali maleje stopniowo w miarę zmniejszania się temperatury, ale tylko do pewnej temperatury granicznej. Począwszy od tej temperatury wartość oporu właściwego pozostaje stała. Niektóre metale wykazują jednak gwałtowny spadek oporu praktycznie do zera w temperaturach bliskich zera bezwzględnego. Mówimy, według określenia Kammerlingha Onnesa, że metal w tej temperaturze staje się nadprzewodnikiem. Nadprzewodnictwo zostało wykryte w przypadku rtęci, ołowiu, cynku, kadmu i wielu innych metali. Natomiast nie odkryto nadprzewodnictwa między innymi: miedzi, srebra, złota, żelaza, sodu, potasu.
Zależność przewodności elektrycznej półprzewodników od temperatury.
Jednym z najważniejszych czynników decydujących o przewodności półprzewodników jest temperatura. W półprzewodnikach samoistnych w temperaturze zera bezwzględnego nie ma w ogóle przewodnictwa. Pojawiają się one wraz ze wzrostem temperatury. Półprzewodnik samoistny w temperaturze T°K ma przewodność elektryczną właściwą γ zależną wykładniczo od temperatury:
γ = γ0e-Eg/2kT;
gdzie γ0- oznacza współczynnik o wart. 105 dla większości półprzewodników, k-stałą Bolzmanna, Eg- przerwa energetyczna.
W praktyce jednak mamy do czynienia z półprzewodnikami domieszkowymi, dla których potrzebny jest zmodyfikowany wzór:
γ = γ0e-Eg/2kT+γ1e-Ea/2kT;
gdzie pierwszy składnik dotyczy przewodności samoistnej, składnik drugi- półprzewodności domieszkowej.
Składnik pierwszy jest bardzo mały w niskich temperaturach, w tych warunkach o przewodności decydują domieszki. Wraz ze wzrostem temperatury stopniowo coraz większą rolę zaczyna odgrywać właśnie przewodność samoistna.
Termistory. Nazwę termistorów nadaje się urządzeniom oporowym półprzewodnikowym, zbudowanym z materiałów o dużym współczynniku temperaturowym oporu. Termistory mogą być wykonane z dowolnego rodzaju półprzewodników. W termistorze wraz ze wzrostem temperatury prąd rośnie, a w miarę obniżania temperatury prąd maleje. Opór termistora może się zmieniać od 10 do 1000 razy, zależnie od użytego półprzewodnika (w tym samym przedziale temperatur).
Zależność przewodności elektrycznej metali od temperatury.
Opór elektryczny metali jest funkcją temperatury i na ogół ze wzrostem temperatury rośnie. Przyczyną występowania rezystancji są głównie zderzenia elektronów z drgającymi jonami w węzłach sieci krystalicznej. W wyższej temperaturze zderzenia te są częstsze, co prowadzi do zwiększenia rezystancji. Ze zmniejszeniem temperatury rezystancja przewodników metalicznych maleje.
W temperaturach bliskiej pokojowej dla wielu metali można tę zależność traktować jako liniową:
R=R0(1+αt)
gdzie R i R0 oznaczają odpowiednio opór przewodnika w temperaturze t i w temperaturze 0°C, α-współczynnik temperaturowy oporu elektrycznego.
Definicja współczynnika α sprowadza się do równania:
α=1/R0*dR/dT
Niektóre stopy metali mają współczynniki temperaturowe ujemne, tzn. ich opór maleje ze wzrostem temperatury. Istnieją też stopy takie jak np. manganin i konstantan, których opory bardzo mało zależą od temperatury. Z tym się wiąże zastosowanie tych stopów do wyrobu wzorców oporu.