71 - Omówić działanie złącza p.-n

Złącze p.-n stanowi płytka półprzewodnika tak domieszkowana, że powstają w niej dwa obszary p.i n

W złączu niespolaryzowanym elektrony z obszary n dyfundują do obszary p., zaś dziury z p. do obszary n. Dochodzi więc do rekombinacji ładunków a na styku złącza powstaje warstwa zaporowa - przestrzeń pozbawiona nośników ruchomych. Jeżeli złącze p.-n spolaryzujemy napięciem zewnętrznym zaporowo ( `-` na anodę) wówczas wytworzone pole el. Powoduje przemieszczanie się ładunków w kierunku skrajnych elektrod, rozszerza się warstwa zaporowa, złącze w tym stanie wykazuje dużą rezystancje i praktycznie jest zablokowane. Przepływa przez nie tylko niewielki prąd wsteczny, który tworzą nośniki mniejszościowe. Jego wartość zależy wyłącznie od temp. Jeżeli do złącza przyłożymy napięcie zewnętrzne polaryzujące ją w kierunku przewodzenia a jego wartość będzie większa od bariery potencjałów , wówczas zostanie zlikwidowana warstwa zaporowa, oporność złącza gwałtownie maleje, i następuje swobodny przepływ nośników większościowych, przez złącze. Jest to tak zwany stan przewodzenia złącza p.-n.

74 - Zastosowanie półprzewodników. Omówić budowę, zasadę działania, charakterystyki diody półprzewodnikowej, diody Zenera, fotodiody , ogniwa fotoelektrycznego, ogniwa termoelektrycznego, termistora, tranzystora, warystora hallotronu.(charakterystyki i schematy we własnym zakresie!!!!!)

Diodę półprzewodnikową stanowi płytka półprzewodnika tak domieszkowana, że powstają w niej dwa obszary p.i n W diodzie niespolaryzowanej elektrony z obszary n dyfundują do obszary p., zaś dziury z p. do obszary n. Dochodzi więc do rekombinacji ładunków a na styku złącza powstaje warstwa zaporowa - przestrzeń pozbawiona nośników ruchomych. Jeżeli złącze p.-n spolaryzujemy napięciem zewnętrznym zaporowo ( `-` na anodę) wówczas wytworzone pole el. Powoduje przemieszczanie się ładunków w kierunku skrajnych elektrod, rozszerza się warstwa zaporowa, złącze w tym stanie wykazuje dużą rezystancje i praktycznie jest zablokowane. Przepływa przez nie tylko niewielki prąd wsteczny, który tworzą nośniki mniejszościowe. Jego wartość zależy wyłącznie od temp. Jeżeli do złącza przyłożymy napięcie zewnętrzne polaryzujące ją w kierunku przewodzenia a jego wartość będzie większa od bariery potencjałów , wówczas zostanie zlikwidowana warstwa zaporowa, oporność złącza gwałtownie maleje, i następuje swobodny przepływ nośników większościowych, przez złącze. Jest to tak zwany stan przewodzenia diody. Jeżeli dioda zasilana jest napięciem przemiennym wówczas przez pół okresu jest ona w stanie przewodzenia a przez 2 pół w stanie zaporowym. To powoduje że przez odbiornik płynie prąd tylko w jednym kierunku. Układ taki nazywamy prostownikiem.

Dioda Zenera wykonywane są jako diody krzemowe. Poprzez intensywne domieszkowanie warstw p. oraz n uzyskuje się interesujący przebieg charakterystyki w stanie zaporowym. Wraz ze wzrostem napięcia wstecznego rośnie pole el które oddziaływuje na wiązania kowalentne w warstwie zaporowej. Gdy napięcie to osiągnie wartość napięcia Zenera pole el jest tak silne że dochodzi do rozrywania wiązań kowalentnych , następuje lawinowa jonizacja atomów półprzewodnika (zanika warstwa zaporowa).W wyniku tego Przy napięciu Zenera następuje gwałtowny przyrost prądu wstecznego przy stałej wartości napięcia na zaciskach diody. Ta właściwość jest wykorzystywana do budowy stabilizatorów napięcia.

Fotodioda jest złączem półprzewodnikowym spolaryzowanym w kierunku zaporowym. W wyniku naświetlania złącza prąd wsteczny jest modulowany przez powstające w złączu pary dziura-elektron co powoduje zmiany rezystancji złącza. Fotodioda jest elementem przetwarzającym sygnały świetlne na elektryczne.

Ogniwa fotoelektryczne przetwarzają en. świetlną na el .Działanie i budowa jest taka sama jak fotodiody, różnica polega na tym że w obwodach z OF brak jest źródeł napięcia. Rozdzielenie ładunków w złączu powoduje powstanie w nim wew. Napięcia, zwanego przy rozwartym obwodzie zewn. Siłą fotoelektryczną. Stosuje się je w urządzeniach do pomiaru natężenia światła - luksomierzach.

Ogniwa termoelektryczne to el W których wykorzystuje się zjawisko Seebecka do bezpośredniej przemiany en. cieplnej w el .Współczesne ogniwo TEL składa się z dwóch kolumn z których jedna jest wykonana z półprzewodnika typu n druga z p., połączonych od gorącej strony przewodzącą zworą z żaroodpornego metalu. Strona ta jest ogrzewana ze źródła ciepła, drugie końce kolumn są chłodzone. Do nich dołączony jest obwód el odbierający wytworzoną en. el

Tranzystor jest el półprzewodnikowym o 3 elektrodach. Jest on wykonany z jednej płytki półprzewodnika tak domieszkowanej, że powstają w niej struktury n-p.-n lub p.-n-p. Tranzystor stanowią więc dwie diody które mają wspólną elektrodę Bazę. Elektrody skrajne to Emiter i kolektor. Niezależnie od układu połączeń tranzystora złącze emiterowe EB polaryzujemy w kierunku przewodzenia zaś kolektorowe CB w kierunku zaporowym.

Termistor jest to el budowany z półprzewodników samoistnych który ma taką właściwość , że jego rez. Zmienia się wraz ze zmianami temp. Rozróżnia się termistory typu a)NTC - o ujemnym współczynniku rez. Oznacza to że jego rez. Maleje ze wzrostem temp. b)PTC na odwrót jak NTC i c)CTR charakteryzują się tym że ich rez. Zmienia się skokowo ze wzrostem temp. (przekaźniki zaskakujące przy pewnej temp). Generalnie termistory stosuje się jako czujniki temp.

Warystor to rezystor półprzewodnikowy którego rez. zależy od przyłożonego napięcia. Mimo zmian prądu napięcie nie wzrasta powyżej napięcia charakterystycznego U_h. W układach niskiego napięcia warystory znalazły zastosowanie w układach stabilizacji napięcia, gaszenia iskrzeń na stykach, zabezpieczenia przepięć komutacyjnych. W układach wysokiego napięcia znalazły warystory w zaworach odgromników iskiernikowych.

Hallotrony zwane również czujnikami Halla są elementami służącymi przede wszystkim do pomiaru indukcji magnetycznej. Działanie ich opiera się na zjawisku Halla. Czujnik H stanowi cienka płytka o grubości ułamka milimetra i wymiarach boków od 1..3 mm. Dzięki temu można go umieszczać i mierzyć indukcję nawet w bardzo wąskich szczelinach obwodów magnetycznych. Przepuszczając prąd I z pomocniczego źródła prądu stałego przez płytkę, mierzy się powstające napięcie Halla U_h a z zależności:

oblicza się indukcje mierzonego pola magnetycznego znając grubość płytki h oraz stałą Halla R_H materiału płytki. Czujników Halla używa się do pomiaru innych wielkości elektrycznych. Wykonuje się je z arsenku galu i antymonku indu.

73 - Co to jest polaryzacja elektryczna

Gdy na różnoimienne ładunki działają siły pola elektrycznego, więź między nimi nie zostaje zerwana, a jedynie doznają one nieznacznych, sprężystych przesunięć wzgl. siebie. Wszystkie ładunki dodatnie przesuwają się w kierunku zgodnym z kierunkiem natężenia pola elektrycznego, a ładunki ujemne w kierunku przeciwnym. W wyniku takiej uporządkowanej, sprężystej deformacji atomów i cząsteczek dielektryka na jego powierzchni zwróconej do okładziny dodatniej kondensatora pojawia się warstwa ładunków dodatnich. Zjawisko to nazywa się polaryzacją dielektryka w polu elektrycznym.

73 - zachowanie dipoli w polu elektrycznym

Układ dwóch ładunków o przeciwnych znakach i równej wielkości q, oddalonych od siebie na odległość l, nazywa się dipolem elektrycznym. Moment elektryczny p. takiego dipola ma wartość q*l i skierowany jest od ładunku ujemnego do ładunku dodatniego Gdy układ taki umieścić w jednorodnym polu elektrycznym E, którym moment dipolowy p. tworzy kąt Q działają na niego dwie równe i przeciwnie skierowane siły F i -F ,przy czym F=q*E. Wypadkowa siła jest równa 0 ale pojawia się moment obracający dipol wokół osi.

Tak więc na dipol umieszczony w zewn. Polu E działa moment skręcający, dążący do ułożenia go wzdłuż lini sił pola. Aby zmienić położenie dipola elektrycznego w zewnętrznym polu elektrycznym

musi być wykonana pewna praca, dodatnia lub ujemna, przez czynnik zewnętrzny. Praca ta zostaje zmagazynowana jako energia potencjalna w układzie składającym się z dipola i urządzenia wytwarzającego pole zewnętrzne. Jeśli założyć, ze energia dipola jest równa zeru, przy Q = 90 ⁰ to: W= -p.*E Najniższą energię ma układ gdy wektor p. jest zorientowany równolegle do wektora E, najwyższą - gdy jest on zorientowany antyrównolegle. Ponieważ każdy system fiz. Dąży do osiągnięcia stanu najniższej energii, dipole dążą do ułożenia się wzdłuż kierunku E.

74 - Trwałe i indukowane dipole elektryczne

Dipol - układ dwóch ładunków o takich samych wartościach ale przeciwnych znakach oddalonych od siebie o odległość l.

(trwałe dipole) Dipolowy charakter mają z reguły cząstki związków chem o wiązaniach jonowych, jak również te związki chem o wiązaniach kowalencyjnych, które mają niesymetryczną strukturę. Przykładem cząstki o wiązaniach kowalentnych i symetrycznej budowie może być CO₂, a nie symetrycznej budowie - H₂O. Jednostką elektrycznego momentu dipolowego jest 1 A*s*m.

(ind. Dipole) W atomach oraz w cząstkach o strukturze symetrycznej wypadkowy środek ciężkości wszystkich ładunków ujemnych pokrywa się z wypadkowym środkiem ciężkości wszystkich jej ładunków dodatnich. Wypadkowe elektryczne momenty dipolowe takich cząstek równają się 0. Umieszczanie tego rodzaju cząstki w zewnętrznym polu elektrycznym prowadzi jednak do jej polaryzacji i powstania indukowanego momentu dipolowego p.=q*d. Indukowane dipole elektryczne mogą powstać również w niesymetrycznych polarnych cząsteczkach obdarzonych stałym dipolem elektrycznym. Przykładem może być cząstka polarna HCl

75 - Wymienić i omówić mechanizmy polaryzacji

Możliwe są trzy różne mechanizmy polaryzacji poszczególnych atomów i cząsteczek w polu elektrycznym:

polaryzacja elektronowa - pole elektryczne wywołuje łagodne przesunięcie dodatniego i ujemnego ładunku atomu. Atom uzyskuje w ten sposób indukowany elektryczny moment dipolowy;

polaryzacja jonowa - pole wywołuje względne przesunięcie ujemnych i dodatnich jonów w cząsteczce. Indukowany jest wówczas dodatkowy moment dipolowy;

polaryzacja dipolowa (zwana również polaryzacją orientacji) - jeśli w nieobecności pola istnieją w ośrodku stałe momenty dipolowe ustawione w różnych przypadkowych kierunkach, pole elektryczne powoduje ich obrót i uporządkowanie w kierunku pola. ·

Polaryzacja elektronowa występuje we wszystkich bez wyjątku dielektrykach. Polega ona na przesunięciu zewnętrznych powłok elektronowych względem dodatnich jąder atomu. Polaryzacja elektronowa jest praktycznie bezinercyjna, tj. przebiega bardzo szybko w czasie rzędu 10^-15 s. Towarzyszące jej odkształcenie jest całkowicie sprężyste, tj. praca włożona w jego powstanie nie zamienia się w ciepło, lecz zostaje zmagazynowana w polu elektrycznym. Powstałe dipole elektryczne mają charakter dipoli indukowanych - po usunięciu zewnętrznego pola elektrycznego polaryzacja elektronowa natychmiast ustępuje. Polaryzacja jonowa występuje tylko w takich materiałach, których cząsteczki zbudowane są z jonów. Polega ona na wzajemnym, sprężystym rozsunięciu różnoimiennych jonów. Zjawisko to z uwagi na bezwładność stosunkowo ciężkich jonów, zachodzi w czasie rzędu 10^-13 s, a więc znacznie wolniej od polaryzacji elektronowej. Polaryzacja jonowa, podobnie jak elektronowa, nie powoduje strat energii na ciepło i ustępuje samoczynnie po usunięciu zewnętrznego pola elektrycznego. Polaryzacja dipolowa, zwana również polaryzacją orientacji, występuje w dielektrykach stałych, ciekłych i gazowych z cząsteczkami o charakterze trwałych dipoli elektrycznych. W nieobecności pola elektrycznego cząsteczki dielektryka znajdują się w chaotycznym ruchu cieplnym, wskutek czego momenty ich dipoli elektrycznych wzajemnie się znoszą i wypadkowy moment dipolowy jest równy zeru. W zewnętrznym polu elektrycznym na cząsteczki - dipole elektryczne - wywierane są siły porządkujące, starające się ustawić je równolegle do pola elektrycznego. Stopień uporządkowania dipoli elektrycznych wzdłuż Iini sił pola elektrycznego jest zależny od dwóch przeciwstawnie działających czynników: wartości zewnętrznego pola elektrycznego ;oraz wartości, temperatury, od której zależna jest intensywność ruchu cieplnego cząsteczek; przeciwstawiającego się elektrycznym siłom porządkującym. Im wyższa temperatura, tym bardziej chaotyczna orientacja dipoli w wyniku bardziej intensywnych zderzeń i drgań cząsteczek. Dla określonej temperatury ustala się określony stopień uporządkowania dipoli, uwarunkowany tymi dwiema przeciwstawnymi tendencjami. Polaryzacja gazu w cząsteczkach wielotomowych, zawierającego cząsteczki polarne, będzie sumą trzech omawianych efektów. Dodatkowo, do trzech omówionych mikroskopowych mechanizmów polaryzacji, mikroskopowych, gdyż zachodzą one w pojedynczych atomach lub cząsteczkach, może występować makroskopowy mechanizm polaryzacji, gdyż w dielektryku znajduje się pewna, z reguły bardzo niewielka liczba ładunków swobodnych. Wędrują one w dielektryku pod wpływem pola elektrycznego; zbierając. się na niedoskonałościach siatki krystalicznej, jak: zanieczyszczenia, granice ziaren, mikropęknięcia itp. Ten typ polaryzacji wymaga najdłuższych czasów do osiągnięcia stanu równowagi - nawet rzędu minut.

76 - Przenikalność elektryczna

Przenikalność elektryczna względna określonego dielektryka, zwana często jego stałą elektryczną, jest liczbowo równa stosunkowi pojemności elektrycznej kondensatora z danym dielektrykiem do pojemności tego samego kondensatora po usunięciu dielektryka (tj. z dielektrykiem próżniowym).

e_w jest względną przenikalnością elektryczną dielektryka zawsze większą od jedności. Jest ona tym większa, im silniej w dielektryku występuje zjawisko polaryzacji.

77 - Porównanie pojemności kondensatora powietrznego i z dielektrykiem stałym

Po przyłożeniu napięcia U do okładek płaskiego kondensatora próżniowego zbiera się na nich określony ładunek elektryczny Q₀; wytwarzający w przestrzeni między okładkami pole elektryczne Eo. Gdy przestrzeń między okładkami wypełnić dielektrykiem, ulega on polaryzacji w polu Eo - na zewnętrznych powierzchniach dielektryka powstaje ładunek elektryczny. "Przyciąga" on dodatkowe ładunki ze źródła prądu, zbierające się na okładkach kondensatora Na każdy ładunek elektryczny wewnątrz dielektryka działają teraz dwie siły: od zewnętrznego pola Ez, wywołanego ładunkami na okładkach kondensatora oraz od pola wewnętrznego Ew, wywołanego ładunkami na zewnętrznych powierzchniach dielektryka. Pola te są przeciwnie skierowane, a ich suma jest równa wartości pola Eo,w nieobecności dielektryka. Większy ładunek elektryczny zebrany na okładkach kondensatora przy tym samym napięciu oznacza; ze pojemność kondensatora uległa zwiększeniu dzięki wypełnieniu kondensatora materiałem dielektrycznym. Pojemność kondensatora próżniowego wynosi:

a kondensatora z dielektrykiem:

Przy czym Q i Qo są odpowiednio ładunkami elektrycznymi zgromadzonymi na okładkach kondensatora z dielektrykiem i bez niego, s jest powierzchnią okładki a I odległością między okładkami.

78 - Wymienić i omówić czynniki wpływające na wartość e_w

e_w jest względną przenikalnością elektryczną dielektryka zawsze większą od jedności. Jest ona tym większa, im silniej w dielektryku występuje zjawisko polaryzacji, tzn. Im większa jest podatność dielektryka na polaryzację. Wartość e_w zależy od: stanu skupienia dielektryka, rodzaju polaryzacji, temperatury i częstotliwości zmiennego pola elektrycznego. Małymi wartościami e_w charakteryzują się dielektryki lotne, gdyż z uwagi na ich małą gęstość bierze udział mała liczba ładunków związanych mieszczących się w jednostce objętości. Małymi wartościami e_w charakteryzują się również dielektryki, w których występuje tylko polaryzacja elektronowa, większymi - gdy występuje również polaryzacja jonowa , a największymi, gdy występują wszystkie 3 rodzaje polaryzacji: elektronowa jonowa i dipolowa. Zależność e_w od temperatury jest zwykle niewielka dla gazów , natomiast może być znaczna dla dielektryków ciekłych i stałych, szczególnie dla tych o dipolowej budowie cząstek. Dla oleju syntetycznego w niskich temp. Wartość e_w jest mała gdyż znaczna lepkość oleju w tej temp. Utrudnia obrót dipoli i ogranicza podatność cząstek na polaryzację dipolową. Przy podwyższonych temp. Znów zmniejsza się wartość e_w tym razem w wyniku ruchów cieplnych cząstek utrudniających ich uporządkowanie. Dla dielektryków stałych o cząstkach charakteryzujących się wiązaniami jonowymi e_w wzrasta przy podwyższeniu temp, gdyż osłabia to wtedy więź jonów w cząsteczce, co ułatwia polaryzację jonową. Gdy w omawianym zakresie zmian temp występuje zmiana stanu skupienia dielektryka, zależność e_w (t) dodatkowo się komplikuje.

79 - Zależność składowych względnej przenikalności elektrycznej od częstotliwości

Wartość e_w jest niezależna od częstotliwości pola elektrycznego w bardzo dużym zakresie częstotliwości dla dielektryków o polaryzacji elektronowej i jonowej. Natomiast dla dielektryka dipolowego zależność e_w(f) może być silna. Szybkie zmiany pola elektrycznego uruchamiają elektronowy i ewentualnie jonowy mechanizm polaryzacji, mechanizm dipolowy natomiast, o znacznie większej bezwładności, może nie zostać uruchomiony - dipole nie nadążają z uporządkowaniem za zbyt szybko zmieniającym się polem elektrycznym. Ze wzrostem częstotliwości e_w dielektryka dipolowego, po .osiągnięciu określonej częstotliwości granicznej, ulega zmniejszaniu do wartości uwarunkowanej, tylko polaryzacją elektronową i jonową.

80 - Rezystancja skrośna i powierzchniowa dielektryka

W dielektryku, w którym nie ma swobodnych elektronów nie występuje przewodzenie elektronowe jak w metalach. Przewodzenie w materiałach izolacyjnych jest więc zawsze związane z ruchem jonów. Jest ono zależne od liczby jonów w jednostce objętości, ich ruchliwości oraz od struktury materiału Wielkości te są z kolei zależne od warunków zewnętrznych, jak: natężenia pola elektrycznego, czynników dysocjujących (temperatura, woda, promieniowanie jonizujące), czasu oddziaływania pola elektrycznego, ilości i rodzaju zanieczyszczeń. Powstawaniu ładunków elektrycznych pod wpływem czynników zewnętrznych towarzyszy ich zanikanie w wyniku rekombinacji, przy czym w warunkach ustalonych utrzymuje się równowaga między obu zjawiskami i ustala się określona koncentracja ładunków swobodnych w dielektryku. Pod wpływem przytoczonego z zewnętrz napięcia ładunki te tworzą bardzo niewielki prąd zwany prądem upływu. Przepływ tego prądu w przypadku dielektryków stałych, odbywa się dwiema drogami: na wskroś dielektryka, tworząc prąd skrośny płynący przez dielektryk oraz po powierzchni dielektryka tworząc prąd powierzchniowy. Rozróżnia się więc dwa odrębne pojęcia: rezystywności skrośnej r_s i rezystywności powierzchniowej r_p.

Rezystywność skrośna dielektryka maleje ze wzrostem temperatury w wyniku zwiększenia jonizacji. Szczególnie silny wpływ obserwuje się w cząstkach z wiązaniami jonowymi. Zanieczyszczenia tworzą dodatkowe źródło swobodnych jonów. Najwyższe wartości rezystywności skrośnej osiągają dielektryki niepolarne. Rezystywność skrośna dielektryków o cząstkach niesymetrycznych zmienia się w bardzo szerokim zakresie, w zależności od stopnia podatności na jonizację (lub dysocjację).

Rezystywność powierzchniowa, odnosząca się tylko do dielektryków stałych, zależy bardzo silnie od ich budowy oraz od stopnia zanieczyszczenia i zawilgocenia ich powierzchni. Największe wartości rezystywność powierzchniowej charakteryzują dielektryki, których powierzchnie nie ulegają zwilżaniu (np. parafina o wartości r rzędu 10¹⁶ Wm), a najmniejsze - dielektryki, które rozpuszczają się częściowo w wodzie (np. szkło sodowe, r rzędu 10⁸ Wm).

Gdy prąd powierzchniowy płynie po powierzchni o kształcie prostokąta o dłuższym boku A i krótszym B, rezystancję powierzchniową możemy obliczyć ze wzoru:

skąd wynika, że jednostką rezystywności powierzchniowej jest W*m/m lub po prostu W.

---