Site Loader

Содержание

Выявление нарушений проводимости при помощи холтеровского мониторирования.

Аксельрод А.С., заведующая отделением функциональной диагностики
Клиники кардиологии ММА им. И.М. Сеченова

Нарушения проводимости встречаются в практике кардиолога реже, чем нарушения сердечного ритма. Тем не менее, значительная доля синкопальных состояний неясного генеза представлена именно нарушениями проводимости. Если они носят преходящий характер (что бывает довольно часто), выявить их при регистрации стандартной ЭКГ чрезвычайно трудно. В такой ситуации абсолютно показано последовательное использование 24-часового регистратора в течение 3 суток или однократное использование 72-часового регистратора.

Как известно, пациенты с различными нарушениями проводимости могут не предъявлять никаких жалоб в течение длительного времени. В таких ситуациях появление синкопальных состояний зачастую является первым показанием для проведения холтеровского мониторирования ЭКГ.

Во время суточной регистрации ЭКГ можно выявлять те нарушения проводимости, которые возникают только ночью. Разумеется, суточное мониторирование ЭКГ выявляет также связь нарушений проводимости с приемом лекарств, физической нагрузкой и т.д. Преходящие синоатриальные и атриовентрикулярные блокады, преходящие  частотозависимые     блокады внутрижелудочковой                     проводимости, изменение степени диагностированной ранее блокады, – вот неполный перечень наиболее частых нарушений проводимости, выявить которые можно лишь при длительном мониторировании ЭКГ.

При покупке программного обеспечения стоит обратить внимание на обязательное наличие в нем трех возможностей:

1. изменение  скорости  лентопротяжки:  такая  возможность  позволяет  более четко выставить границы интервала PQ и расстояния РР;

2. изменение общего  вольтажа: эта возможность позволяет увеличить амплитуду зубца Р и, таким образом, более четко его визуализировать в сомнительных случаях;

3. наличие линейки с  цветными растягивающимися  браншами:  при выставлении этих браншей на нужный Вам интервал, на фрагменте автоматически появляется его продолжительность в мсек.

Синоатриальные блокады

связаны с замедлением (1 степень) или нарушением (2 и 3 степени) генерации или проведения импульсов синусового узла к миокарду предсердий и, соответственно, атриовентрикулярному узлу. Синоатриальная блокада может быть преходящей или постоянной, возникать при любой частоте сердечных сокращений и сочетаться с другими нарушениями проводимости и сердечного ритма.

Синоатриальную блокаду 1 степени можно заподозрить по фрагментам внезапного                   замедления  ритма  с  последующим его учащением (трудно дифференцировать с синусовой аритмией) во время холтеровского мониторирования.

При 2 степени СА блокады

часть импульсов, возникающих в синусовом узле, не доходит до предсердий. При этом на ЭКГ регистрируется пауза (более 2 секунд) без предсердной активности: в отличие от АВ блокады, во время паузы при СА блокаде отсутствуют зубцы Р.

При блокаде 2 степени I типа (частичная синоаурикулярная блокада с периодами Самойлова-Венкебаха) возникает                  прогрессирующее               укорочение интервалов РР перед длительной паузой – периодика Самойлова-Венкебаха. При этом степень  нарушения проведения            может        характеризоваться   отношением         числа синусовых импульсов, например, 3:2 и т.д. (в числителе выставляется число синусовых

импульсов, включая ожидаемый и не состоявшийся импульс, в знаменателе — число реально проведенных импульсов). Выявленная пауза при этом не кратна расстоянию РР основного ритма.

При синоатриальной блокаде   2 степени II типа (типа Мобитца) такой периодики                     не выявляется.  Этот  вариант  блокады  диагностируется  чаще. Выявленная пауза кратна или равна одному расстоянию РР основного ритма. Часто при таком варианте блокады с проведением 2:1 или при большей степени блокады возникает необходимость  дифференцировать                 фрагменты       мониторирования  с синусовой брадикардией.

Нередко во время одной и той же холтеровской регистрации удается зарегистрировать оба типа СА блокады.

Обратите внимание на возможность Вашего программного обеспечения выводить в каждом из распечатанных фрагментов и продолжительность паузы, и значение ЧСС на фоне этой паузы. Такая разметка делает фрагмент очень наглядным и лишний раз подчеркивает его диагностическую значимость (рис.1).

Рис. 1.  Пациентка С., 64 лет, варианты синоатриальной блокады II степени:  А —
СА блокада 2 степени I типа с периодикой Самойлова-Венкебаха; Б – СА блокада


2 степени II типа с проведением 3:2.

А


Б

О III степени синоатриальной блокады (полная синоатриальная блокада или отказ синусового узла, «sinus arrest») говорят при отсутствии предсердных зубцов и наличии замещающих сокращений из дистальных центров автоматизма – АВ соединения или проводящей системы желудочков (рис. 2).

Нередко во время холтеровского мониторирования можно увидеть фрагменты нарушений проводимости, которые возникают на фоне дыхательной аритмии. В такой ситуации квалифицировать выявленные паузы бывает достаточно сложно. Так, например,   у  пациента   Ж.,   45   лет,   в   ночное         время   (с   2:00   до   5:00)   были зарегистрировали эпизоды нарушения СА проводимости без кратности и четкой периодики Самойлова-Венкебаха, 9 пауз более 4 сек, в том числе 2 эпизода остановки синусового узла.

Рис.2. Пациент Ж., 45 лет: А — эпизоды замедления СА проводимости без четкой кратности и периодики Самойлова-Венкебаха, Б – остановка синусового узла с образованием паузы 4.048 сек.

А

Б

Для начинающих докторов хочется отметить три важных момента:

1. нередко  степень  и  тип  блокады  могут  изменяться  в  зависимости  от времени суток;

2. отсутствие кратности интервала РР и продолжительности пауз может быть обусловлено сопутствующей синусовой аритмией, часто – дыхательной;

3. при квалификации паузы как СА блокады Вы должны быть абсолютно уверены, что данный фрагмент не является артефициальным: пауза дублируется             в обоих  отведениях. В                      сомнительных                     случаях мониторирование придется повторить.

Атриовентрикулярные блокады.

К атриовентрикулярным (АВ) блокадам приводит поражение проводящей системы на 2-м и 3-м уровне – проведение синусового импульса к атриовентрикулярному узлу, а  также  патология  самого  атриовентрикулярного  узла.  При  этом  возможна  как задержка   проведения   импульса   из   предсердий   через   АВ узел,   так   и полное прекращение его проведения.

Удлинение интервала PQ более 200 мсек у взрослых и более 170 мсек у детей свидетельствует   о   1   степени   АВ   блокады   (замедлении                                        АВ   проводимости).

Случайное выявление этого варианта блокады в ночное время у пациентов, принимающих бета-адреноблокаторы и не предъявляющих никаких жалоб, является одним из наиболее частых благоприятных нарушений проводимости в практической кардиологии и может быть квалифицировано в заключении как «замедление АВ проводимости», если PQ не превышает 300 мсек (рис.3).

Рис. 3. Пациент Р., 57 лет: замедление AВ проводимости выявлялось во время ночного сна (интервал PQ достигал 240 мсек). А – PQ 146 мсек (15:10), Б – PQ 240 мсек (4:33).

А

 Б                                                    

Гораздо большую опасность несет в себе значимое (более 300 мсек) замедление АВ проводимости, которое уже в обязательном порядке должно быть квалифицировано в заключении как «АВ блокада 1 степени» (рис.4). При регистрации на ЭКГ покоя интервала PQ более 300 мсек пациенту показано суточное мониторирование ЭКГ для решения вопроса о необходимости коррекции терапии. Такое выраженное нарушение проводимости нередко прогрессирует в течение суток.

Рис.4. Пациент Г, 64 лет: АВ блокада 1 степени

«Выпадение» желудочкового комплекса (пауза, кратная длительности интервала RR) с регистрацией неизмененного зубца P (в отличие от синоатриальной блокады) является признаком

AВ блокады 2 степени. При нарастающем удлинении интервала PQ перед паузой говорят о I типе частичной AВ блокады 2 степени с периодами Самойлова Венкебаха (I тип Мобитца). При отсутствии подобной периодики – диагностируется   II   тип AВ блокады   2   степени   (II   тип   Мобитца). Степень проведения удобно указывать при помощи соотношения 5:2, 3:2 и т.д. (первая цифра указывает количество зубцов Р, вторая — количество желудочковых комплексов QRS). Крайне полезным может оказаться            использование      графиков  (или                 таблиц) распределения пауз по часам. При этом наличие в Вашей программе графиков распределения гораздо удобнее: они нагляднее и позволяют быстро и правильно оценить преобладание пауз по часам (рис. 5).

Рис.5. Пациент Б, 76 лет: АВ блокада 2 степени II типа. А – стереотипный фрагмент блокады с образованием паузы 2.288 сек; Б – график распределения пауз по часам (выражено преобладание в ночное время)

А

Б

Полная   атриовентрикулярная блокада (АВ   блокада   3   степени,   полная поперечная блокада) выявляется как потеря связи между предсердными (зубец Р) и желудочковыми сокращениями                          (комплекс       QRS),      при  этом  предсердный          ритм оказывается чаще желудочкового (рис.6). На таких фрагментах можно увидеть наслоение зубцов Р на желудочковые комплексы QRS, поэтому возможность увеличения общего вольтажа (соответственно, и амплитуды зубца Р) оказывается просто необходимой.

Рис.6. АВ блокада 3 степени у пациентки Ж., 69 лет.

Нередко на фоне АВ блокады 3 степени регистрируются замещающие сокращения или ритмы (рис. 7).

Рис.7. Пациент Г, 64 лет: замещающий идиовентрикулярный ритм на фоне АВ блокады 3 степени.

Весьма часто у пациентов AВ блокада возникает эпизодически или ее степень изменяется в зависимости от времени суток. Возможно также появление редких эпизодов АВ блокады 2 степени в ночное время (как правило, в ранние утренние часы) при нормальном интервале PQ в течение остального времени мониторирования. Кроме того, при динамическом наблюдении пациента с АВ блокадой нередко можно увидеть прогрессирующее ухудшение АВ проводимости в течение нескольких лет (рис. 8).

Рис.8. Прогрессирующее ухудшение АВ проводимости у пациента Л., 45 лет: А – замедление АВ проводимости впервые выявлено в возрасте 45 лет; Б – АВ блокада 2 степени II типа в 46 лет; В и Г – 2 последовательных эпизода АВ блокады 3 степени 3:2 и 5:2 с образованием пауз 2.31 и 5.34 сек соответственно.

А

Б

В

Г

Каждый начинающий врач сталкивается с трудностями дифференциального диагноза между AВ блокадой 2 степени II типа и АВ блокадой 3 степени. Только при детальном сопоставлении фрагментов и использования возможности «обзор ЭКГ» можно сделать вывод о наличии полной поперечной блокады на спорном фрагменте.

Блокады ветвей пучка Гиса

Стандартная 12-канальная ЭКГ покоя позволяет четко диагностировать варианты нарушения проведения по системе Гиса. Во время суточного мониторирования ЭКГ имеется возможность выявить преходящие блокады ветвей пучка Гиса, которые регистрируются в ночное время или, наоборот, во время интенсивной физической активности.  Зачастую  они  являются  случайной  диагностической  находкой.  Тем  не менее, такие нарушения внутрижелудочковой проводимости (например, преходящая полная блокада левой ножки пучка Гиса) могут имитировать пароксизмальные желудочковые нарушения ритма и приводить к гипердиагностике жизненно опасных аритмий (рис.9).

Рис.9.  Пациентка К., 72 лет: преходящая полная блокада левой ножки пучка Гиса.
А – начало блокады, Б – конец блокады.

А

Б

Как правило, дифференцировать аберрацию проведения по системе Гиса от пароксизмальных желудочковых нарушений ритма несложно: для блокады характерен регулярный правильный ритм, ровные правильные циклы, отсутствие компенсаторной паузы (или удлинения RR-интервала) в конце фрагмента ритма из расширенных комплексов и плавное восстановление нормального синусового ритма. Ни одного из перечисленных  признаков нельзя увидеть на рис.10, что позволяет квалифицировать этот фрагмент как желудочковую тахикардию.

Рис. 10.  Пациент К., 79 лет: пароксизм неустойчивой желудочковой тахикардии

В заключении хочется отметить: для четкой диагностики нарушений проводимости нередко однократной холтеровской регистрации бывает недостаточно. При наличии сомнительных изменений, подозрительных на нарушения проводимости (особенно в ночные часы), исследование необходимо повторить с общей продолжительностью мониторирования до 72 часов.

Москва, 16.04.2009

Проводимость дырочная — Энциклопедия по машиностроению XXL

Франка — Кондона 324 Проводимость дырочная 342 Проводники 339 Пропагатор 153 Пространство векторное линейное конечномерное 130  [c.437]

Германий монокристаллический (ГОСТ 16153—70 ) выпускается с проводимостью электронного типа, легированный сурьмой и с проводимостью дырочного типа, легированный галлием. Ориентацию слитков — см. [15].  [c.193]

Введение в к-ВМ приводит к образованию в спектре кристалла полосы вакансионных состояний (ВС), рис. 2.3. Данные состояния концентрируются вблизи верхнего края ВЗ, причем максимум локальной плотности ВС совпадает с Ер кристалла. Иными словами, можно рассматривать как своеобразную акцепторную примесь , вакантные уровни которой при термическом возбуждении могут заселиться с возникновением в нестехиометрическом нитриде проводимости дырочного типа.  [c.39]


Приведенные результаты свидетельствуют, что решеточные вакансии нельзя рассматривать как точечные дефекты их присутствие вызывает возмущение электронных состояний кристалла, достигающее, по крайней мере, второй координационной сферы вакансии. По своему действию на электронные состояния матрицы катионная вакансия (Уд) будет выступать как акцепторная примесь , анионная (У ,) — как донорная примесь , инициируя возникновение проводимости дырочного и электронного типов, соответственно.[c.40]

СВЧ-ферриты. Из двух основных характеристик СВЧ-ферри-тов — ширины линий ферромагнитного резонанса и диэлектрических свойств — последние тесно связаны с концентрацией электронных дефектов, которую можно регулировать в широких пределах в процессе термической обработки., В работе [195] показано, что потери в ферритах в широком диапазоне частот обусловлены свободными электронами, концентрация которых может быть существенно снижена дополнительным отжигом при температуре, выбранной на основе универсальной диаграммы. В ОВЧ-ферритах, содержащих никель в качестве активного компонента, изменение температуры обработки при фиксированном давлении кислорода, равно как и изменение давления кислорода при фиксированной температуре, может привести к замене электронной проводимости дырочной. Минимуму потерь будут соответствовать состояния с собственной проводимостью (пхр), достигаемые при строго определенных для каждого состава температуре и давления кислорода.  [c. 152]

Основой германиевого диода (рис. 82, в) служит пластинка из кристаллического германия 13 с примесью сурьмы или мышьяка, обладающего -проводимостью. Пластинка 13 спаяна с каплей индия 12, Б результате диффузии атомы индия проникают в германиевую пластинку и образуют в ней слой с р-проводимостью (дырочной). Выпрямитель помещается в герметизированный корпус 9 с выводами-электродами 11 и 14. Неуправляемый кремниевый выпрямитель (диод) состоит из слоя кристаллического кремния с примесью фосфора или сурьмы ( -проводимость), сплавленного с пластиной алюминия. В  [c.119]

Сульфид свинца имеет кристаллическую структуру, кубическую реш стку. Плотность е о 7,5. Молекулярный вес — 239,28, Температура плавления 1114° С. Ширина запрещенной зоны = 04 эв. В зависимости от соотношения серы и свинца получается проводимость дырочная —  [c.253]

Примесная проводимость полупроводников возникает при существовании в кристалле примесных атомов, валентность которых отличается от валентности основных атомов. Донор-ные примеси обладают большей валентностью, чем основные атомы, их избыточные электроны обладают меньшей энергией связи и легко могут быть переведены в свободное состояние. Акцепторные примеси имеют меньшую валентность, чем основные атомы, и легко образуют дырки. Соответственно типы проводимости называются п-прово-димостью (электронной) и р-проводимостью (дырочной).  [c.121]


Энергия, необходимая для перехода электрона из заполненной зоны в зону проводимости, называется шириной запрещенной зоны E ). Полупроводники имеют или электронную (я-тип), или дырочную (/)-тип) проводимости. Электронная проводимость обусловлена движением электрона в зоне проводимости дырочная проводимость обусловлена перемещением электрона в заполненной зоне от одного атома к другому, у которого до этого недоставало электрона (он вылетел в зону проводимости). Перемещение электрона в заполненной зоне равносильно перемещению положительного заряда в направлении, противоположном движению электрона. Такой положительный заряд условно называют дыркой .  [c.114]

Полупроводники р-типа (дырочная проводимость)  [c.38]

Электрическим током принято называть упорядоченное движение электрически заряженных частиц. В зависимости от состояния и состава вещества его электрическая проводимость может быть электронной (в металлах), электронно-дырочной (в полупроводниках), электронно-ионной (в газах) и ионной (в электролитах).  [c.31]

Вентильный фотоэффект. Вентильный фотоэффект — это явление возникновения э. д. с. при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника металла в отсутствие внешнего электрического поля. На этом явлении основаны вентильные фотоэлементы, обладающие тем преимуществом перед фотосопротивлениями и внешними фотоэлементами, что они могут служить индикаторами лучевой энергии, не требующими внешнего питания. Но главная особенность вентильных фотоэлементов состоит в том, что они открывают путь для прямого превращения солнечной энергии в электрическую. В начале нашего века существовали фотоэлементы, работающие на контактах полупроводников и металлов. Однако в дальнейшем было показано, что наиболее эффективными являются фотоэлементы, основанные на использовании контакта двух полупроводников с р- и -типами проводимости, т. е. на так называемом р- -переходе. При освещении перехода в р-области образуются электронно-дырочные пары. Электроны и дырки диффундируют к р- -переходу. Электроны под действием контактного поля будут переходить в -область. Дырки же преодолевать барьер не могут и остаются в р-области. В результате р-область заряжается положительно, -область — отрицательно и в р-я-переходе возникает дополнительная разность потенциалов. Ее и называют фотоэлектродвижущей силой (фото-э. д. с.).  [c.346]

Транзистор выращенный — транзистор, изготовленный путем выращивания монокристалла германия или кремния из расплава полупроводника благодаря периодическому внесению в расплав различных легирующих примесей или периодическому изменению скорости вытягивания кристалла в выращиваемом монокристалле создаются чередующиеся зоны с электронной и дырочной проводимостью при выпиливании соответствующего куска монокристалла получают транзисторную структуру [9].[c.157]

Транзистор п — р — п р — п — р) — транзистор, у которого область базы имеет преимущественно дырочную (электронную) проводимость, а области эмиттера и коллектора имеют преимущественную электронную (дырочную) проводимость. Большинство типов выпускаемых транзисторов относятся к р—п—р транзисторам. Схемы для транзисторов р—я—р и п—р—п одинаковы, но полярность подключения источников питания противоположна если в р—п—р транзисторе на коллектор подается отрицательное напряжение по отношению к эмиттеру, то в п—р—п транзисторе — положительное [3, 4].  [c.158]

Положительный ион мышьяка не может захватить электрон у одного из соседних атомов кремния, так как энергия связи электронов с атомами кремния значительно превышает энергию связи пятого валентного электрона с атомом мышьяка. Поэтому эстафетного перемещения электронной вакансии не происходит, дырочной проводимости нет. Примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок, называются донорными.[c.155]

Для создания р — п-перехода в кристалле с электронной проводимостью нужно создать область с дырочной проводимостью или в кристалле с дырочной проводимостью — область с электронной проводимостью.  [c.157]

Если к р — п-переходу приложено напряжение знаком плюс на область с дырочной проводимостью и знаком минус на область с электронной проводимостью, то переходы основных  [c.159]

Для изготовления транзистора из монокристалла германия с электронной проводимостью в него с двух противоположных сторон вводится примесь атомов индия. Две области монокристалла германия с примесью индия становятся полупроводниками с дырочной проводимостью, а на границах соприкосновения их с основным кристаллом возникают  [c.159]


Транзисторы п — р — л-пере-хода имеют аналогичное устройство — только материал базы в них обладает дырочной проводимостью, а коллектор и эмиттер — электронной. Условное обозначение транзистора па схе мах представлено на рисунке 160.[c.160]

Полупроводниковый элемент имеет следующее устройство. В плоском кристалле кремния или другого полупроводника с дырочной проводимостью создается тонкий слой полупроводника с электронной проводимостью. На границе раздела этих слоев возникает р—л-переход. При освещении полупроводникового кристалла в результате поглощения света происходит изменение распределения электронов и дырок по энергиям. Этот процесс называет-  [c.304]

Фотодиод представляет собой полупроводниковую пластинку, внутри которой имеются области электронной (п-область) и дырочной (р-область) проводимости, разделенные электронно-ды-рочным переходом. Иа рис. 8.22 изображены две возможные принципиальные схемы фотодиода.  [c.442]

В то же время, при наличии в диэлектрике примесных атомов, свободные носители заряда могут появиться за счет термической активации примесных уровней. Вследствие этого при нормальных и низких температурах проводимость в диэлектриках имеет примесный характер. Так же, как и в полупроводниках, носителями заряда здесь могут быть электроны и дырки. Если примесь имеет донорный характер, то основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки. Такой диэлектрик (по аналогии с полупроводником) называют электронным или диэлектриком п-типа. Если же примесь акцепторная, то основными носителями являются дырки. В этом случае диэлектрик называют дырочным или р-типа.  [c.272]

В полупроводниковых лазерах наиболее распространенным методом создания инверсной населенности является инжекция неравновесных носителей заряда через р-/г-переход. Электронно-дырочный переход (р-п) — это переходная область, с одной стороны которой полупроводник имеет дырочную (р) проводимость, а с другой — электронную п). Необходимо отметить, что речь идет об одном образце, а не о контакте между двумя образцами р- и rt-типа.  [c.317]

Итак, в полупроводнике надо рассматривать два статистических коллектива газ электронов проводимости и газ дырок. Поскольку электрон проводимости и дырка рождаются одновременно (в паре друг с другом), плотности обоих газов одинаковы. В термодинамическом равновесии уровни Ферми обоих газов совпадают общий уровень проходит примерно посередине запрещенной зоны. Если принудительно перебрасывать электроны из валентной зоны в зону проводимости (например, облучая полупроводник светом), то можно при данной температуре увеличить плотность газа электронов проводимости и соответственно плотность дырочного газа при этом полупроводник переходит в неравновесное состояние, уровень Ферми электронов проводимости поднимается, приближаясь к зоне проводимости, а уровень Ферми дырок опускается к валентной зоне. В неравновесном полупроводнике можно создать вырожденные газы электронов проводимости и дырок, должным образом  [c.144]

Удельное электросопротивление германия весьма высокой чистоты достигает 0,6 ом Незначительные количества примесей влияют на тип проводимости германия и понижают его электросопротивление. К примесям, создающим электронную проводимость германия, относятся, например, мышьяк, сурьма, фосфор (донорные прпмеси). Примеси бора, алюминия, галлия, индия (акцепторные примеси) обусловливают проводимость дырочного типа. Термическая обработка также сильно влияет на электрические свойства германия, в частности на тип проводимости (фиг. 86).  [c.527]

Различают два тина проводимости полупроводниковых материалов. Первый тип проводимости, как и в металлах, обусловлен обычным движением электронов, т. е. отрицательно заряженных частиц. Полупроводники с этим типом проводимости называются полупроводниками п-типа (от слова negative — отрицательный). Во втором типе полупроводников проводимость определяется смеш ением отдельных валентных электронов на наружных оболочках атомов кристаллической решетки монокристалла. При этом каждый электрон сдвигается только на один атом — узел решетки, а движется вдоль кристалла вакансия — ионизированное состояние атома с отсутствием электрона в наружной оболочке. Такая вакансия соответствует положительному заряду, равному по абсолютной величине заряду электрона. Так как это движение подобно движению частицы, то такая псевдочастица получила название дырки (введенное П. Дираком), а сам тип проводимости — дырочной проводимости или проводимости / -тина (от слова positive — положительный).  [c.60]

Транзистор и тиристор как переключающие приборы. Транзисторы изготавливают из иолуироводииковых материалов на основе германия, кремния и др. Транзистор представляет собой монокристалл, состоящий пз трех слоев различных типов проводимостей. Проводимость, обусловливаемая преимущественно свободными электронами, называется и-проводимостью (электронной). Проводимость, обеспечиваемая положительными зарядами (дырками в решетке твердого тела), называется р-проводимостью (дырочной). Транзисторы выполняют двух типов р—п—р (рис. 32, а, в, д) или п—р—п (рис. 32, б, г, е). Средний слой транзистора называется базой Б, один наружный — эмиттером Э, а другой — коллектором К (см. рис. 32, а, б).  [c.57]

Иа одну нз плоскостей очищенной от примесей кремниевой шайбы электроиного тина проводимости наносится слой раствора азотнокислого алюминия и борной кислоты в спирте. Затем диски закладываются в кварцевый стакан, который помещается в печь, где диффузионный процесс протекает 10 ч при температуре 1 300° С. В результате происходит диффузия алюминия и бора в кремниевый диск на глубину ПО—120 мкм, чем создастся слой кремния с проводимостью дырочного типа. Примесь бора применяется для повышения поверхностной концентрации. После окончания диффузии и остывания диска один из / -слоев удаляется шлифовкой. Затем следует цикл травлений, трехкратной никелировки и отжига кремниевого диска при различных технологических условиях.  [c.130]


В зависимости от примесей кремний приобретает электронную проводимость п или, наоборот, пропускает заряды с недостатком электронов, где места отсутствующих электронов условно называют дырками, то есть приобретает дырочную проводимость р. С целью получения локальных областей для элементов микросхемы формируют разделительные области р» -типа — области дырочной проводимости с повышенной концентрацией носителей. Создание элементов в полупроводниковом материале требует наличия р-и-переходов — границы между областями с электронной (и-типа) и дырочной (р-типа) проводимостью. На рис. 25.2 показана последовательность основных технологических операций изготовления ПИМС на биполярных транзисторах, получаемых по планарно-эпитаксиальной технологии (эпитаксия — процесс ориентированного наращивания атомов одного кристаллического вещества на другом). Изготовление ПИМС на биполярных транзисторах включает  [c.539]

Поскольку свойства электронов с отрицательной эффективной массой очень сильно отличаются от свойств нормальных электронов, их удобнее описывать, пользуясь представлением о некоторых квазичастицах, имеющих заряд — -е, но положительную эффективную массу. Такая квазичастица получила название дырка. Предположим, что в зоне все состояния, кроме одного, заняты электронами. Вакантное состояние вблизи потолка зоны и называют дыркой. Если внешнее поле равно нулю, дырка занимает самое верхнее состояние. Под действием поля зоне проводимости, но и дырками в валентной зоне. Дырочная проводимость наиболее характерна для полупроводников. Однако есть и некоторые металлы, которые обладают дырочной проводимостью.  [c.235]

В полупроводнике, содержа- рочного (б) полупроводников щем акцепторную примесь, электроны легко переходят из валентной зоны на акцепторные уровни. При этом в валентной зоне образуются свободные дырки. Количество свободных дырок здесь значительно превышает количество свободных электронов, образовавшихся за счет переходов из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными. Проводимость полупроводника, содержащего акцепторную примесь, имеет дырочный характер, а сам полупроводник в соответствии с этим назьь вается дырочным (или акцепторным).  [c.251]

Ударная ионизация. Увеличение электропроводности твердого тела в сильных полях связано с увеличением концентрации носителей заряда. При полях, напряженность которых превышает 10 В/м, электроны проводимости приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов. В результате ионизации образуются электронно-дырочные пары, которые ускоряются полем до высоких энергий и тоже могут ионизовать атомы. Таким образом, концентрация свободных носителей лавинообразно нарастает. Этот процесс и получил название ударной иониза-ции. Ударная ионизация не приводит к немед- ленному пробою вещества, поскольку электроны (и дырки), рассеиваясь на фононах, передают свою энергию решетке и могут рекомбинировать.  [c.259]

Если в чистом полупроводнике можно получить вырожденные электронный и дырочный газы лишь за счет значительного нарушения равновесия, то в примесных полупроводниках этого можно достичь и в равновесном состоянии. Равновесный выроледенный газ электронов проводимости может быть реализован в полупроводниках п-типа, а равновесный вырожденный газ дырок — в полупровод-  [c. 145]

Более интересны ситуации, когда энергия возбуждения поглощается в одном месте кристалла, а высвечивание происходит в другом месте. В случае фотолюминесценции это означает, что фотон излучения накачки поглощается в одном месте кристалла, а фотон люминесцентного излучения рождается в другом месте. Передача энергии возбуждения от одного места к другому осуществляется с помощью либо электронов проводимости н дырок, либо экситонов, которые представляют собой, как уже отмечалось, связанные электронно-дырочные пары. Поэтому подобные ситуации должны быть связаны с рождением либо электронов проводимости и дырок, либо экситонов. Соответствующие переходы (обусловленные поглощением энергии возбуждения) обозначены на рис. 8.2 цифрами 3, 4, 5. Переход Л есть переход электрона из валентной зоны в зону проводимости при этом рождаются электрон проводимости и дырка. Переход 4 связан с рождением экситона. Переход 5 есть переход электрона с оиювного уровня иона-активатора в зону проводимости при этом рождается электрон проводимости.[c.189]

Перемещаясь по кристаллу, электроны проводимости, 1ырки и экситоны тем самым переносят по нему энергию возбуждения. Рассмотрим переходы, связанные с высвечиванием этой энергии (в виде фотона люминесцентного излучения). Во-первых, это может быть междузонный переход 8 (рис. 8.2). Во-вторых, это может быть переход, связанный с рекомбинацией электрона и дырки, образующих экситон,—переход 9. Рекомбинация экситона происходит, например, при его столкновении с п-римесным центром. Наконец, это может быть переход //, происходящий в каком-либо примесном ионе-активаторе он сопровождается безызлучательиыми переходами 10 и 12. Все три рассмотренных процесса высвечивания связаны с одновременным уничтожением электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне иными словами, все они связаны с электронно-дырочной рекомбинацией. В связи с этим используют термин рекомбинационная люминесценция.  [c.190]

Кеезом и др. [124] исследовали влияние облучения нейтронами в реакторе на теплоемкость. В образце, подвергнутом общей дозе облучения, равной 5-10 нейтронов на 1 обнаружились два эффекта а) величина 0 уменьшилась примерно на 3% и б) в пределах погрешности эксперимента линейный член в теплоемкости исчез. Последующий отжиг до 500° С не вызвал существенных изменений в низкотемпературной теплоемкости, отжиг до 780° С привел к появлению линейного электронного члена, не изменив, однако, пониженной облучением величины вд. Эти эффекты можно объяснить в рамках существующих представлений о влиянии облучения нейтронами на электрические свойства кремния (ссылки на соответствующие работы см. в [124]). Под действием облучения возникают нерегулярности решетки (свободные места и смещенные атомы), что приводит, по-видимому, к появлению новых уровней в запрещенной зоне между валентными электронами и зоной электронов проводимости. При низких температурах эти новые уровни являются ловушками для электронов проводимости и дырок, что вызывает исчезновение линейного члена в теплоемкости, появление которого связано с носителями тока (в нашем случае с дырками, так как до облучения образец принадлежал к дырочному типу). Отжиг при достаточно высокой температуре устраняет нарушения, вызванные облучением, и уменьшает количество новых уровней, что приводит снова к появлению линейной добавки к теплоемкости.  [c.347]

Акцепторные уровни расположены выше потолка валентной зоны, и при наличии энергии активации АЕд электроны л-гз валентной зоны могут переходить на указанные уровни, -оставляя в зоне незанятые энергетические уровни — дырки. Этот переход сопровождается превращением акцепторов в отрицательно заряженные ионы, которые также не участвуют н электропроводности. Такой полупроводник называют примесным полупроводником р-типа (для него характерна дырочная проводимость). Таким образом, в противоположйость собственной проводимости примесная проводимость осуществляется носителями заряда только одного знака — электронами, которые поставляются донорами в свободную зону, нли дырками путем захвата электронов из валентной зоны акцепторами.  [c.92]


При наличии перекрытия двух последовательных энергетических зон, из которых нижняя была бы полностью заполнена, происходит перетекание электронов из одной зоны в другую. При этом концентрация пустых (дырочных) состояний П2 в одной из зон совпадает с концентрацией заполненных (электронных) состояний щ в другой зоне. Такой металл принято называть компенсированным п.1 = п2). Дрейфовый ток в нем в нервом приближении отсутствует. В случае замкнутых ПФ можно с онределенностью говорить либо об электронном ее характере, если внутри находятся заполненные состояния, либо о дырочном, если она окружает пустые состояния. В этом случае, если ni=n , все компоненты тензора проводимости определяются диффузией центров орбит, т. е. ахх Оуу аа/(( ат) электронные орбиты.) Приведенные выражения для компонент тензора проводимости исчерпывающим образом описывают все многообразие возможных асимптотик Поведения гальваномагнитных свойств металлов.  [c.737]

Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках. Электрический ток в различных средах Электрический ток в полупроводниках применение полупроводниковых приборов

Урок № 41-169 Электрический ток в полупроводниках. Полупроводниковый диод. Полупроводниковые приборы.

Полупроводник — вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры., а это значит, что электрическая проводимость увеличивается. Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.Механизм проводимости у полупроводников Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями. При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик. Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью (невелика). Собственная проводимость бывает двух видов: 1)электронная (проводимость «п «-типа) При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; При увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны — сопротивление уменьшается. Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического поля. Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов. 2)дырочная (проводимость «р»-типа). При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном — «дырка». Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение «дырки» равноценно перемещению положительного заряда. Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.Разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны нагреванием, освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей. Зависимость R(t): термистор
— дистанционное измерение t; — противопожарная сигнализация

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей «р» и «n» -типов и называется электронно-дырочной проводимостью. Полупроводники при наличии примесей У них существует собственная и примесная проводимость. Наличие примесей сильно увеличивает проводимость. При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока — электронов и дырок. Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников. Существуют следующие примеси: 1) донорные примеси (отдающие) — являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике. Это проводники » n » — типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда — электроны, а неосновной — дырки. Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью (пример – мышьяк). 2) акцепторные примеси (принимающие) создают «дырки», забирая в себя электроны. Это полупроводники » р «- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда – дырки, а неосновной — электроны. Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью (пример – индий). Электрические свойства «р- n » переходов. «р-п» переход (или электронно-дырочный переход) — область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот). В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия, электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника. Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя. При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля ток проходит через границу двух полупроводников. Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

При запирающем (обратном направлении внешнего электрического поля) ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет. Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается. Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковый диод — полупроводник с одним «р-п» переходом. П
олупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.
При наложении электрического поля: в одном направлении сопротивление полупроводника велико, в обратном — сопротивление мало.
Транзисторы. (от английских слов transfer — переносить, resistor – сопротивление) Рассмотрим один из видов транзисторов из германия или кремния с введенными в них донорными и акцепторными примесями. Распределе­ние примесей таково, что создает­ся очень тонкая (порядка несколь­ких микрометров) прослойка полупроводника п-типа между дву­мя слоями полупроводника р-типа (см. рис.). Эту тонкую прослойку называют основанием или базой. В кристалле образуются два р -n-перехода, прямые направле­ния которых противоположны. Три вывода от областей с различными типами проводимости позволяют включать транзистор в схему, изо­браженную на рисунке. При данном включении левый р -n-пе­реход является прямым и отделяет базу от области с проводимостью р-типа, называемую эмиттером. Если бы не было правого р -n-перехода, в цепи эмиттер — база су­ществовал бы ток, зависящий от напряжения источников (батареи Б1 и источника переменного напряжения) и со­противления цепи, включая малое сопротивление прямо­го перехода эмиттер — база. Батарея Б2 включена так, что правый р -n-переход в схеме (см. рис.) является обратным. Он отделяет базу от правой области с проводимостью р-типа, называ­емой коллектором. Если бы не было левого р -n-перехо­да, сила тока в цепи коллектора была бы близка к ну­лю, так каксопротивление обратного перехода очень велико. При существовании же тока в левом р -n-пере­ходе появляется ток и в цепи коллектора, причем сила тока в коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере (если на эмиттер подано отрицательное напряжение, то левый р -n-переход будет обратным и ток в цепи эмиттера и в цепи коллек­тора будет практически отсутствовать). При создании напряжения между эмиттером и базой основные носители полупровод­ника р-типа — дырки проникают в базу, где они явля­ются уже неосновными носителями. Поскольку толщина базы очень мала и число основных носителей (электро­нов) в ней невелико, попавшие в нее дырки почти не объ­единяются (не рекомбинируют) с электронами базы и про­никают в коллектор за счет диффузии. Правый р -n-переход закрыт для основных носителей заряда ба­зы — электронов, но не для дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь. Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной (см. рис. выше) плоскости много меньше сечения в верти­кальной плоскости.

Сила тока в коллекторе, практически равная силе то­ка в эмиттере, изменяется вместе с током в эмиттере. Со­противление резистора R мало влияет на ток в коллекто­ре, и это сопротивление можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источника перемен­ного напряжения, включенного в его цепь, мы получим синхронное изменение напряжения на резисторе R.

При большом сопротивлении резистора изменение напря­жения на нем может в десятки тысяч раз превышать изме­нение напряжения сигнала в цепи эмиттера. Это означает усиление напряжения. Поэтому на нагрузке R можно полу­чить электрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность, поступающую в цепь эмиттера.

Применение транзисторов Свойства р -п-перехода в полупроводниках использу­ются для усиления и генерации электрических колебаний.



3

Полупроводниками назвали класс веществ, у которых с повышением температуры увеличивается проводимость, уменьшается электрическое сопротивление. Этим полупроводники принципиально отличаются от металлов.

Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены кова-лентной связью. При любых температурах в полупроводниках имеются свободные электроны. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов кристаллической решетки приводит к превращению этого атома в положительный ион. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон у одного из соседних атомов. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс воспринимается как перемещение положительного электрического заряда, называемого дыркой .

При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение дырок — дырочный ток проводимости.

В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Проводимость в идеальных полупроводниках называется собственной проводимостью.

Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. Примеси бывают двух типов — донорные и акцепторные.

Примеси, отдающие электроны и создающие электронную проводимость, называются донорными (примеси, имеющие валентность больше, чем у основного полупроводника). Полупроводники, в которых концентрация электронов превышает концентрацию дырок, называют полупроводниками n-типа.

Примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными (примеси имеющие валентность меньше, чем у основного полупроводника).

При низких температурах основными носителями тока в полупроводниковом кристалле с акцепторной примесью являются дырки, а не основными носителями — электроны. Полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа. Рассмотрим контакт двух полупроводников с различными типами проводимости.

Через границу этих полупроводников происходит взаимная диффузия основных носителей: электроны из n-полупроводника диффундируют в р-полупроводник, а дырки из р-полупроводника в n-полупроводник. В результате участок n-полупроводника, граничащий с контактом, будет обеднен электронами, и в нем образуется избыточный положительный заряд, обусловленный наличием оголенных ионов примеси. Движение дырок из р-полупроводника в n-полупроводник приводит к возникновению избыточного отрицательного заряда в пограничном участке р-полупроводника. В результате образуется двойной электрический слой, и возникает контактное электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. Этот слой называют запирающим .

Внешнее электрическое поле влияет на электропроводность запирающего слоя. Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 55, то под действием внешнего электрического поля основные носители заряда — свободные электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике — будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников, при этом толщина p-n-перехода уменьшается, следовательно, уменьшается его сопротивление. В этом случае сила тока ограничивается внешним сопротивлением. Такое направление внешнего электрического поля называется прямым. Прямому включению p-n-перехода соответствует участок 1 на вольт-амперной характеристике (см. рис. 57).

Носители электрического тока в различных средах и вольт-амперные характеристики обобщены в табл. 1.

Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 56, то электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут перемещаться под действием внешнего электрического поля от границы в противоположные стороны. Толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются. При таком направлении внешнего электрического поля — обратном (запирающем) через границу раздела проходят только неосновные носители заряда, концентрация которых много меньше, чем основных, и ток практически равен нулю. Обратному включению р-п-перехода соответствует участок 2 на вольт-амперной характеристике (рис. 57).

Дрейфовый ток

В полупроводниках свободные электроны и дырки на­ходятся в состоянии хаотического движения. Поэтому, если выбрать произвольное сечение внутри объема полупровод­ника и подсчитать число носителей заряда, проходящих через это сечение за единицу времени слева направо и справа налево, значения этих чисел окажутся одинаковы­ми. Это означает, что электрический ток в данном объеме полупроводника отсутствует.

При помещении полупроводника в электрическое поле напряженностью Е на хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая направленного дви­жения. Направленное движение носителей зарядов в элек­трическом поле обусловливает появление тока, называе­мого дрейфовым (Рисунок 1. 6, а) Из-за столкновения носителей зарядов с атомами кристал- лической решетки их движение в направ­лении действия электрического поля

прерывисто и харак­теризуется подвижностью m. Подвижность равна сред­ней скорости , приобретаемой носителями заряда в направлении действия электрического поля напряженностью Е = 1 В/м, т. е.

Подвижность носителей зарядов зависит от механизма их рассеивания в кристаллической решетке. Исследова­ния показывают, что подвижности электронов m n и дырок m p имеют различное значение (m n > m p) и определяются температурой и концентрацией примесей. Увеличение тем­пературы приводит к уменьшению подвижности, что зави­сит от числа столкновений носителей зарядов в единицу времени.

Плотность тока в полупроводнике, обусловленного дрей­фом свободных электронов под действием внешнего элек­трического поля со средней скоростью , определяется выражением .

Перемещение (дрейф) дырок в валентной зоне со сред­ней скоростью создает в полупроводнике дырочный ток, плотность которого . Следовательно, полная плот­ность тока в полупроводнике содержит электронную j n и дырочную j р составляющие и равна их сумме (n и p — концентрации соответственно электронов и дырок).

Подставляя в выражение для плотности тока соотноше­ние для средней скорости электронов и дырок (1.11), по­лучаем

(1.12)

Если сравнить выражение (1.12) с законом Ома j =sЕ, то удельная электропроводность полупроводника опреде­ляется соотношением

У полупроводника с собственной электропроводностью кон­центрация электронов равна концентрации дырок (n i = p i), и его удельная электропроводность определяется выра­жением

В полупроводнике n-типа > , и его удельная электропроводность с достаточной степенью точности мо­жет быть определена выражением

.

В полупроводнике р-типа > , и удельная элек­тропроводность такого полупроводника

В области высоких температур концентрация электро­нов и дырок значительно возрастает за счет разрыва ковалентных связей и, несмотря на уменьшение их подвижно­сти, электропроводность полупроводника увеличивается по экспоненциальному закону.

Диффузионный ток

Кроме теплового возбуждения, приводящего к возник­новению равновесной концентрации зарядов, равномерно распределенных по объему полупроводника, обогащение полупроводника электронами до концентрации n p и дыр­ками до концентрации p n может осуществляться его осве­щением, облучением потоком заряжённых частиц, введе­нием их через контакт (инжекцией) и т. д. В этом случае энергия возбудителя передается непосредственно носите­лям заряда и тепловая энергия кристаллической решетки остается практически постоянной. Следовательно, избы­точные носители заряда не находятся в тепловом равнове­сии с решеткой и поэтому называются неравновесными. В отличие от равновесных они могут неравномерно распре­деляться по объему полупроводника (рисунок 1.6, б)

После прекращения действия возбудителя за счет реком­бинации электронов и дырок концентрация избыточных но­сителей быстро убывает и достигает равновесного значения.

Скорость рекомбинации неравновесных носителей про­порциональна избыточной концентрации дырок (p n — ) или электронов (n p — ):

где t p — время жизни дырок; t n — время жизни электронов. За время жизни концентрация неравновесных носите­лей уменьшается в 2,7 раза. Время жизни избыточных носителей составляет 0,01…0,001 с.

Носители зарядов рекомбинируют в объеме полупро­водника и на его поверхности. Неравномерное распределение неравновесных носите­лей зарядов сопровождается их диффузией в сторону мень­шей концентрации. Это движение носителей зарядов обу­словливает прохождение электрического тока, называемо­го диффузионным (рисунок 1.6, б).

Рассмотрим одномерный случай. Пусть в полупровод­нике концентрации электронов n(x) и дырок p(x) являют­ся функциями координаты. Это приведет к диффузионно­му движению дырок и электронов из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией.

Диффузионное движение носителей зарядов обуслов­ливает прохождение диффузионного тока электронов и дырок, плотности которых определяют­ся из соотношений:

; (1.13) ; (1.14)

где dn(x)/dx, dp(x)/dx — градиенты концентраций электронов и дырок; D n , D p — коэффициенты диффузии электро­нов и дырок.

Градиент концентрации характери­зует степень неравномерности распределения зарядов (электронов и дырок) в полупроводнике вдоль какого-то выбранного направления (в данном случае вдоль оси x). Коэффициенты диффузии показывают количество носителей заряда, пересекающих в единицу времени еди­ничную площадку, перпендикулярную к выбранному направ­лению, при градиенте концентрации в этом направлении, рав­ном единице. Коэффициенты

диффузии связаны с подвижностями носителей зарядов соотношениями Эйнштейна:

; .

Знак «минус» в выражении (1.14) означает противопо­ложную направленность электрических токов в полупро­воднике при диффузионном движении электронов и дырок в сторону уменьшения их концентраций.

Если в полупроводнике существует и электрическое поле, и градиент концентрации носителей, проходящий ток будет иметь дрейфовую и диффузионную составляющие. В таком случае плотности токов рассчитываются по следую­щим уравнениям:

; .

Полупроводники занимают промежуточное место по электропроводности между проводниками и непроводниками электрического тока. К группе полупроводников относится гораздо больше веществ, чем к группам проводников и непроводников, взятых вместе. Наиболее характерными представителями полупроводников, нашедших практическое применение в технике, являются германий, кремний, селен, теллур, мышьяк, закись меди и огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.

У полупроводников концентрация носителей свободного заряда увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов.

Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок».

При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.

Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного I n и дырочного I p токов: I = I n + I p .

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: n n = n p . Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

При наличии примесей электропроводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка примесей фосфора в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков.

Полупроводник, в который введена примесь (т.е. часть атомов одного сорта заменена на атомы другого сорта), называют примесным или легированным.

Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости.

Так при легировании четырех валентного германия (Ge) или кремния (Si) пятивалентным – фосфор (P), сурьма (Sb), мышьяк (As) в месте нахождения атома примеси появляется лишний свободный электрон. При этом примесь называют донорной .

При легировании четырех валентного германия (Ge) или кремния (Si) трехвалентным — алюминием (Al), индием (Jn), бором (В), галлием (Ga) – возникает линяя дырка. Такие примеси называют акцепторными .

В одном и том же образце полупроводникового материала один участок может обладать р — проводимостью, а другой n – проводимостью. Такой прибор называют полупроводниковым диодом.

Приставка «ди» в слове «диод» означает «два», она указывает, что в приборе имеются две основные «детали», два тесно примыкающих один к другому полупроводниковых кристалла: один с р-проводимостью (это зона р), другой — с n — проводимостью (это зона п). Фактически же полупроводниковый диод — это один кристалл, в одну часть которого введена донорная примесь (зона п), в другую-акцепторная(зона р).

Если от батареи подвести к диоду постоянное напряжение «плюсом» к зоне р и «минусом» к зоне п , то свободные заряды — электроны и дырки — хлынут к границе, устремятся к рn -переходу. Здесь они будут нейтрализовать друг друга, к границе будут подходить новые заряды, и в цепи диода установится постоянный ток. Это так называемое прямое включение диода — заряды интенсивно движутся через него, в цепи протекает сравнительно большой прямой ток.

Теперь сменим полярность напряжения на диоде, осуществим, как принято говорить, его обратное включение — «плюс» батареи подключим к зоне п, «минус» — к зоне р. Свободные заряды оттянутся от границы, электроны отойдут к «плюсу», дырки — к «минусу» и в итоге pn — переход превратится в зону без свободных зарядов, в чистый изолятор. А значит, произойдет разрыв цепи, ток в ней прекратится.

Hе большой обратный ток через диод все же будет идти. Потому что, кроме основных свободных зарядов (носителей заряда) — электронов, в зоне п ,и дырок в зоне р — в каждой из зон есть еще и ничтожное количество зарядов обратного знака. Это собственные неосновные носители заряда, они существуют в любом полупроводнике, появляются в нем из-за тепловых движений атомов, именно они и создают обратный ток через диод. Зарядов этих сравнительно мало, и обратный ток во много раз меньше прямого. Величина обратного тока сильно зависит: от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n перехода. С увеличением площади перехода возрастает его обьем, а следовательно возрастает число неосновных носителей появляющихся в результате термогенерации и тепловой ток. Часто ВАХ, для наглядности представляют в виде графиков.

Полупроводники – это материалы, которые при обычных условиях являются диэлектриками, но с увеличение температуры становятся проводниками. То есть в полупроводниках при увеличении температуры, сопротивление уменьшается.

Строение полупроводника на примере кристалла кремния

Рассмотрим строение полупроводников и основные типы проводимости в них. В качестве примера рассмотрим кристалла кремния.

Кремний является четырехвалентным элементом. Следовательно, в его внешней оболочке имеются четыре электрона, которые слабо связаны с ядром атома. С каждым по соседству находится еще четыре атома.

Атомы между собой взаимодействуют и образуют ковалентные связи. От каждого атома в такой связи участвует один электрон. Схема устройства кремния изображена на следующем рисунке.

картинка

Ковалентные связи являются достаточно прочными и при низких температурах не разрываются. Поэтому в кремнии нет свободных носителей заряда, и он при низких температурах является диэлектриком. В полупроводниках существует два вида проводимости: электронная и дырочная.

Электронная проводимость

При нагревании кремния ему будет сообщаться дополнительная энергия. Кинетическая энергия частиц увеличивается и некоторые ковалентные связи разрываются. Тем самым образуются свободные электроны.

В электрическом поле эти электроны перемещаются между узлами кристаллической решетки. При этом в кремнии будет создаваться электрический ток.

Так как основными носителями заряда являются свободные электроны, такой тип проводимости называют – электронной проводимостью. Количество свободных электронов зависит от температуры. Чем сильнее мы будем нагревать кремний, тем больше ковалентных связей будет разрываться, а следовательно, будет появляться больше свободных электронов. Это приводит к уменьшению сопротивления. И кремний становится проводником.

Дырочная проводимость

Когда происходит разрыв ковалентной связи, на месте вырвавшегося электрона, образуется вакантное место, которое может занять другой электрон. Это место называется дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд.

Положение дырки в кристалле постоянно меняется, любой электрон может занять это положение, а дырка при этом переместится туда, откуда перескочил электрон. Если электрического поля нет, то движение дырок беспорядочное, и поэтому тока не возникает.

При его наличии, возникает упорядоченность перемещения дырок, и помимо тока, который создается свободными электронами, появляется еще ток, который создается дырками. Дырки будут двигаться в противоположном движению электронов направлении.

Таким образом, в полупроводниках проводимость является электронно-дырочной. Ток создается как с помощью электронов, так и с помощью дырок. Такой тип проводимости еще называется собственной проводимостью, так как участвуют элементы только одного атома.

TYDEX: Кремний

Обычно кремний считается материалом для систем, работающих в средней ИК-области спектра от 3 до 5 микрон. Но фактически этот материал может использоваться в гораздо более широком диапазоне длин волн  от 1.2 микрон до 1000 микрон и даже больше.

Мы используем три вида кремния:
— кремний оптический, выращенный методом Чохральского (OCz-Si),
— кремний оптический, выращенный методом зонной плавки (FZ-Si),
— кремний высокоомный оптический, выращенный методом зонной плавки (HRFZ-Si).

Выбор материала из этих трёх типов зависит от рабочего диапазона длин волн, толщины элемента и специфики применения. Мы используем кристаллы соответствующего типа (в зависимости от технологии изготовления, типа проводимости и сопротивления), чтобы достичь наилучшего пропускания в требуемой области спектра. Ниже продемонстрированы и описаны основные принципы правильного выбора материала. Также надо отметить, что пропускание не зависит от ориентации кристалла, так как кремний, имея кубическую симметрию, является изотропным кристаллом.

На рис. 1 показаны спектры пропускания кремния в ближнем и среднем ИК-диапазонах. Как видно, в диапазоне от 3 до 5 микрон нет практически никакой разницы в пропускании материалов всех используемых градаций и сопротивлений. Также все типы материалов имеют фононные пики абсорбции, обусловленные решеточным поглощением в диапазоне от 6.5 до 25 микрон. Кремний, выращенный методом Чохральского, имеет пики на длинах волн 5.8, 9.1 и 19.4 микрон, индуцированные кислородным поглощением. 

За счет гораздо меньшей концентрации кислорода (1016 см-3 вместо порядка 1018 см-3 в кремнии, выращенном методом Чохральского) кремний, выращенный методом зонной плавки, не имеет кислородных пиков и может использоваться для более критичных применений.

Решёточное поглощение  также как и кислородное поглощение, зависит от оптического пути луча внутри элемента (грубо  от толщины элемента). Оно не зависит от сопротивления. Таким образом, толщина элемента является достаточно критичным параметром в диапазоне 6-25 микрон.

 

Рис. 1 Пропускание кремния в диапазоне 1-25 микрон. Стрелками указаны пики кислородного поглощения. Толщина образца 5 мм.

На рис. 2 приведены спектры пропускания образцов различной толщины. Видно, что в диапазоне от 3 до 5 микрон, обычно используемом в пирометрии и термографии, и даже до 6.5 микрон зависимость пропускания от толщины незначительна. Для больших длин волн поглощение становится существенным, и пропускание сильно зависит от толщины. Для образца кремния, выращенного методом Чохральского, толщиной 5 мм среднее пропускание в диапазоне 8-10 микрон меньше 32% (для кремния,  выращенного методом зонной плавки,  около 38%) и только 18% в диапазоне 10-14 микрон (одинаково для кремния, выращенного методом зонной плавки и методом Чохральского).

Однако, кремниевые окна толщиной менее, либо около 1 мм могут быть успешно использованы во втором «атмосферном окне» от 7 до 14 микрон. В этом диапазоне среднее пропускание окна из кремния, выращенного методом Чохральского, с толщиной 0.5 мм превышает 51% и для кремния, выращенного методом зонной плавки, оно немного выше (около 51.9%) из-за отсутствия кислородной линии поглощения.

Рис. 2 Пропускание кремния, выращенного методом зонной плавки и методом Чохральского, в зависимости от толщины.

Пропускание в дальнем ИК диапазоне показано на рис. 3. Мы обращаем внимание на то, что, начиная с 21 микрона, нет разницы в пропускании между кремнием, выращенным методом Чохральского и методом зонной плавки с одинаковым сопротивлением и типом проводимости. Для таких приложений (50 микрон и более) мы предлагаем высокоомный кремний, выращенный методом зонной плавки, сохраняющий пропускание 50-54% до 1000 микрон (и более по специальному запросу). Кремний с сопротивлением до 30 кОм х см может быть использован.

Рис. 3 Пропускание кремния, 16-1000 микрон. Толщина образцов 5 мм.

Максимальные размеры кристаллов, используемых для изготовления оптики:

  • Si, выращенный методом Чохральского — 300 мм;
  • Si, выращенный методом зонной плавки — 150 мм;
  • высокоомный Si, выращенный методом зонной плавки — 150 мм.

Физические свойства кремния

Плотность, г/см3 2.329
Точка плавления, oC 1412
Молекулярный вес 28.09
Поверхностное натяжение (в жидком состоянии в точке плавления), мН/м 736
Коэффициент линейного термического расширения при 25ºC 2.55 x 10-6
Теплопроводность при 27ºC , Вт/(м x ºC) 159
Удельная теплоёмкость (тв.), Дж/(кг x ºC) 712
Тепловой коэффициент показателя преломления при 25ºC 1.50 x 10-4
Собственное сопротивление, кОм x см 240
1 Ом x см (n -тип) равен, 10 15 /см3 2.93
1 Ом x см (p -тип) равен, 10 15 /см3 7.33
Дрейфовая подвижность собственных электронов, см2 /(В x сек.) 1500
Количество собственных электронов , см-3 1.22 x 1010
Дрейфовая подвижность собственных дырок, см2 /(В x сек.) 600
Запрещённая зона, минимум, эВ 300 K 1.14
0 K 1.17
Модуль разрыва, МПа 125
Твёрдость по Моосу 7
Модуль Юнга (E), Па 1.89 x 1010
Модуль сдвига (G), Па 7.99 x 1010
Коэффициент поперечной деформации (Пуассона) 0.266
Растворимость в воде нерастворим

Коэффициент преломления кремния в зависимости от длины волны

l,  микроны n l, микроны n l, микроны n
1.40 3.4900 4.50 3.4270 7.00 3.4227
1.50 3.4841 5.00 3.4256 7.14 3.4226
1.66 3.4700 5.28 3.4250 7.30 3.4225
1.82 3.4600 5.50 3.4246 7.50 3.4224
2.00 3.4561 5.70 3.4243 7.72 3.4222
2.50 3.4431 5.83 3.4241 8.00 3.4220
3.00 3.4360 5.92 3.4239 8.16 3.4220
3.30 3.4326 6.00 3.4238 8.50 3.4218
3.50 3.4317 6.50 3.4232 9.00 3.4216
4.00 3.4289 6.92 3.4228 9.09 3.4215

В соответствии с формулой   , где ε0 = 11.67 — статическая диэлектрическая проницаемость, коэффициент преломления кремния стремится к значению 3.416 при стремлении длины волны к бесконечности (до 1000 микрон и более).

Обращаем Ваше внимание на то, что мы не поставляем кремний в необработанном виде, а только готовые, полированные компоненты.

Электрический ток в полупроводниках полупроводниковые приборы. Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках

Полупроводниками назвали класс веществ, у которых с повышением температуры увеличивается проводимость, уменьшается электрическое сопротивление. Этим полупроводники принципиально отличаются от металлов.

Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены кова-лентной связью. При любых температурах в полупроводниках имеются свободные электроны. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов кристаллической решетки приводит к превращению этого атома в положительный ион. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон у одного из соседних атомов. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс воспринимается как перемещение положительного электрического заряда, называемого дыркой .

При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение дырок — дырочный ток проводимости.

В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Проводимость в идеальных полупроводниках называется собственной проводимостью.

Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. Примеси бывают двух типов — донорные и акцепторные.

Примеси, отдающие электроны и создающие электронную проводимость, называютсядонорными (примеси, имеющие валентность больше, чем у основного полупроводника). Полупроводники, в которых концентрация электронов превышает концентрацию дырок, называют полупроводниками n-типа.

Примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными (примеси имеющие валентность меньше, чем у основного полупроводника).

При низких температурах основными носителями тока в полупроводниковом кристалле с акцепторной примесью являются дырки, а не основными носителями — электроны. Полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа. Рассмотрим контакт двух полупроводников с различными типами проводимости.

Через границу этих полупроводников происходит взаимная диффузия основных носителей: электроны из n-полупроводника диффундируют в р-полупроводник, а дырки из р-полупроводника в n-полупроводник. В результате участок n-полупроводника, граничащий с контактом, будет обеднен электронами, и в нем образуется избыточный положительный заряд, обусловленный наличием оголенных ионов примеси. Движение дырок из р-полупроводника в n-полупроводник приводит к возникновению избыточного отрицательного заряда в пограничном участке р-полупроводника. В результате образуется двойной электрический слой, и возникает контактное электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. Этот слой называют запирающим .

Внешнее электрическое поле влияет на электропроводность запирающего слоя. Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 55, то под действием внешнего электрического поля основные носители заряда — свободные электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике — будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников, при этом толщина p-n-перехода уменьшается, следовательно, уменьшается его сопротивление. В этом случае сила тока ограничивается внешним сопротивлением. Такое направление внешнего электрического поля называется прямым. Прямому включению p-n-перехода соответствует участок 1 на вольт-амперной характеристике (см. рис. 57).

Носители электрического тока в различных средах и вольт-амперные характеристики обобщены в табл. 1.

Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 56, то электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут перемещаться под действием внешнего электрического поля от границы в противоположные стороны. Толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются. При таком направлении внешнего электрического поля — обратном (запирающем) через границу раздела проходят только неосновные носители заряда, концентрация которых много меньше, чем основных, и ток практически равен нулю. Обратному включению р-п-перехода соответствует участок 2 на вольт-амперной характеристике (рис. 57).

Таким образом, р-п-переход обладает несимметричной проводимостью. Это свойство используется в полупроводниковых диодах, содержащих один p-n-переход и применяемых, например, для выпрямления переменного тока или детектирования.

Полупроводники находят широкое применение в современной электронной технике.

Зависимость электрического сопротивления полупроводниковых металлов от температуры используется в специальных полупроводниковых приборах — терморезисторах . Приборы, в которых используется свойство полупроводниковых кристаллов изменять свое электрическое сопротивление при освещении светом, называются фоторезисторами .

Электрический Ток в Вакууме

Если два электрода поместить в герметичный сосуд и удалить из сосуда воздух, то электрический ток в вакууме не возникает — нет носителей электрического тока. Американский ученый Т. А. Эдисон (1847-1931) в 1879 г. обнаружил, что в вакуумной стеклянной колбе может возникнуть электрический ток, если один из находящихся в ней электродов нагреть до высокой температуры. Явление испускания свободных электронов с поверхности нагретых тел называется термоэлектронной эмиссией. Работа, которую нужно совершить для освобождения электрона с поверхности тела, называется работой выхода. Явление термоэлектронной эмиссии объясняется тем, что при повышении температуры тела увеличивается кинетическая энергия некоторой части электронов в веществе. Если кинетическая энергия электрона превысит работу выхода, то он может преодолеть действие сил притяжения со стороны положительных ионов и выйти с поверхности тела в вакууме. На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа различных электронных ламп.

Полупроводниками называют вещества, занимающие в отношении электропроводности промежуточное положение между хорошими проводниками и хорошими изоляторами (диэлектриками).

Полупроводниками являются и химические элементы (германий Ge, кремний Si, селен Se, теллур Te), и соединения химических элементов (PbS, CdS, и др.).

Природа носителей тока в различных полупроводниках различна. В некоторых из них носителями зарядов являются ионы; в других носителями зарядов являются электроны .

Собственная проводимость полупроводников

Существует два вида собственной проводимости полупроводников: электронная проводимость и дырочная проводимость полупроводников.

1. Электронная проводимость полупроводников.

Электронная проводимость осуществляется направленным перемещением в межатомном пространстве свободных электронов, покинувших валентную оболочку атома в результате внешних воздействий.

2. Дырочная проводимость полупроводников.

Дырочная проводимость осуществляется при направленном перемещении валентных электронов на вакантные места в парно-электронных связях — дырки. Валентный электрон нейтрального атома, находящегося в непосредственной близости к положительному иону (дырке) притягиваясь к дырке, перескакивает в неё. При этом на месте нейтрального атома образуется положительный ион (дырка), а на месте положительного иона (дырки) образуется нейтральный атом.

В идеально чистом полупроводнике без каких — либо чужеродных примесей каждому свободному электрону соответствует образование одной дырки, т.е. число участвующих в создании тока электронов и дырок одинаково.

Проводимость, при которой возникает одинаковое число носителей заряда (электронов и дырок), называется собственной проводимостью полупроводников.

Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов. Малейшие следы примесей коренным образом меняют свойства полупроводников.

Электрическая проводимость полупроводников при наличии примесей

Примесями в полупроводнике считают атомы посторонних химических элементов, не содержащиеся в основном полупроводнике.

Примесная проводимость — это проводимость полупроводников, обусловленная внесением в их кристаллические решётки примесей.

В одних случаях влияние примесей проявляется в том, что «дырочный» механизм проводимости становится практически невозможным, и ток в полупроводнике осуществляется в основном движением свободных электронов. Такие полупроводники называются электронными полупроводниками или полупроводниками n — типа (от латинского слова negativus — отрицательный). Основными носителями заряда являются электроны, а не основными — дырки. Полупроводники n — типа — это полупроводники с донорными примесями.

1. Донорные примеси.

Донорными называют примеси, легко отдающие электроны, и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов. Донорные примеси поставляют электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок.

Типичным примером донорной примеси в четырёхвалентном германии Ge являются пятивалентные атомы мышьяка As.

В других случаях практически невозможным становится движение свободных электронов, и ток осуществляется только движением дырок. Эти полупроводники называются дырочными полупроводниками или полупроводниками p — типа (от латинского слова positivus — положительный). Основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны. . Полупроводники р — типа — это полу-проводники с акцепторными примесями.

Акцепторными называют примеси в которых для образования нормальных парноэлектронных связей недостаёт электронов.

Примером акцепторной примеси в германии Ge являются трёхвалентные атомы галлия Ga

Электрический ток через контакт полупроводников р- типа и n- типа p-n переход — это контактный слой двух примесных полупроводников p-типа и n-типа; p-n переход является границей, разделяющей области с дырочной (p) проводимостью и электронной (n) проводимостью в одном и том же монокристалле.

Прямой p-n переход

Если n-полупроводник подключён к отрицательному полюсу источника питания, а положительный полюс источника питания соединён с р-полупроводником, то под действием электрического поля электроны в n-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников. Электроны, переходя границу, «заполняют» дырки, ток через р-n-переход осуществляется основными носителями заряда. Вследствие этого проводимость всего образца возрастает. При таком прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля толщина запирающего слоя и его сопротивление уменьшаются.

В этом направлении ток проходит через границу двух полупроводников.


Обратный р-n-переход

Если n-полупроводник соединён с положительным полюсом источника питания, а р-полупроводник соединён с отрицательным полюсом источника питания, то электроны в n-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике под действием электрического поля будут перемещаться от границы раздела в противоположные стороны, ток через р-n-переход осуществляется неосновными носителями заряда. Это приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление — большим.

Образуется так называемый запирающий слой. При таком направлении внешнего поля электрический ток через контакт р- и n-полупроводников практически не проходит.

Таким образом электронно-дырочный переход обладает одно-сторонней проводимостью.

Зависимость силы тока от напряжения — вольт — амперная характеристика р-n перехода изображена на рисунке (вольт — амперная характеристика прямого р-n перехода изображена сплошной линией, вольт — амперная характеристика обратного р-n перехода изображена пунктирной линией).

Полупроводниковые приборы:

Полупроводниковый диод — для выпрямления переменного тока, в нем используют один р — n — переход с разными сопротивлениями: в прямом направлении сопротивление р — n — перехода значительно меньше, чем в обратном.

Фоторезисторы — для регистрации и измерения слабых световых потоков. С их помощью определяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий.

Термисторы — для дистанционного измерения температуры, противопожарной сигнализации.

Полупроводники – это материалы, которые при обычных условиях являются диэлектриками, но с увеличение температуры становятся проводниками. То есть в полупроводниках при увеличении температуры, сопротивление уменьшается.

Строение полупроводника на примере кристалла кремния

Рассмотрим строение полупроводников и основные типы проводимости в них. В качестве примера рассмотрим кристалла кремния.

Кремний является четырехвалентным элементом. Следовательно, в его внешней оболочке имеются четыре электрона, которые слабо связаны с ядром атома. С каждым по соседству находится еще четыре атома.

Атомы между собой взаимодействуют и образуют ковалентные связи. От каждого атома в такой связи участвует один электрон. Схема устройства кремния изображена на следующем рисунке.

картинка

Ковалентные связи являются достаточно прочными и при низких температурах не разрываются. Поэтому в кремнии нет свободных носителей заряда, и он при низких температурах является диэлектриком. В полупроводниках существует два вида проводимости: электронная и дырочная.

Электронная проводимость

При нагревании кремния ему будет сообщаться дополнительная энергия. Кинетическая энергия частиц увеличивается и некоторые ковалентные связи разрываются. Тем самым образуются свободные электроны.

В электрическом поле эти электроны перемещаются между узлами кристаллической решетки. При этом в кремнии будет создаваться электрический ток.

Так как основными носителями заряда являются свободные электроны, такой тип проводимости называют – электронной проводимостью. Количество свободных электронов зависит от температуры. Чем сильнее мы будем нагревать кремний, тем больше ковалентных связей будет разрываться, а следовательно, будет появляться больше свободных электронов. Это приводит к уменьшению сопротивления. И кремний становится проводником.

Дырочная проводимость

Когда происходит разрыв ковалентной связи, на месте вырвавшегося электрона, образуется вакантное место, которое может занять другой электрон. Это место называется дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд.

Положение дырки в кристалле постоянно меняется, любой электрон может занять это положение, а дырка при этом переместится туда, откуда перескочил электрон. Если электрического поля нет, то движение дырок беспорядочное, и поэтому тока не возникает.

При его наличии, возникает упорядоченность перемещения дырок, и помимо тока, который создается свободными электронами, появляется еще ток, который создается дырками. Дырки будут двигаться в противоположном движению электронов направлении.

Таким образом, в полупроводниках проводимость является электронно-дырочной. Ток создается как с помощью электронов, так и с помощью дырок. Такой тип проводимости еще называется собственной проводимостью, так как участвуют элементы только одного атома.

Полупроводники занимают промежуточное место по электропроводности между проводниками и непроводниками электрического тока. К группе полупроводников относится гораздо больше веществ, чем к группам проводников и непроводников, взятых вместе. Наиболее характерными представителями полупроводников, нашедших практическое применение в технике, являются германий, кремний, селен, теллур, мышьяк, закись меди и огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.

У полупроводников концентрация носителей свободного заряда увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов.

Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок».

При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.

Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного I n и дырочного I p токов: I = I n + I p .

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: n n = n p . Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

При наличии примесей электропроводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка примесей фосфора в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков.

Полупроводник, в который введена примесь (т.е. часть атомов одного сорта заменена на атомы другого сорта), называют примесным или легированным.

Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости.

Так при легировании четырех валентного германия (Ge) или кремния (Si) пятивалентным – фосфор (P), сурьма (Sb), мышьяк (As) в месте нахождения атома примеси появляется лишний свободный электрон. При этом примесь называют донорной .

При легировании четырех валентного германия (Ge) или кремния (Si) трехвалентным — алюминием (Al), индием (Jn), бором (В), галлием (Ga) – возникает линяя дырка. Такие примеси называют акцепторными .

В одном и том же образце полупроводникового материала один участок может обладать р — проводимостью, а другой n – проводимостью. Такой прибор называют полупроводниковым диодом.

Приставка «ди» в слове «диод» означает «два», она указывает, что в приборе имеются две основные «детали», два тесно примыкающих один к другому полупроводниковых кристалла: один с р-проводимостью (это зона р), другой — с n — проводимостью (это зона п). Фактически же полупроводниковый диод — это один кристалл, в одну часть которого введена донорная примесь (зона п), в другую-акцепторная(зона р).

Если от батареи подвести к диоду постоянное напряжение «плюсом» к зоне р и «минусом» к зоне п , то свободные заряды — электроны и дырки — хлынут к границе, устремятся к рn -переходу. Здесь они будут нейтрализовать друг друга, к границе будут подходить новые заряды, и в цепи диода установится постоянный ток. Это так называемое прямое включение диода — заряды интенсивно движутся через него, в цепи протекает сравнительно большой прямой ток.

Теперь сменим полярность напряжения на диоде, осуществим, как принято говорить, его обратное включение — «плюс» батареи подключим к зоне п, «минус» — к зоне р. Свободные заряды оттянутся от границы, электроны отойдут к «плюсу», дырки — к «минусу» и в итоге pn — переход превратится в зону без свободных зарядов, в чистый изолятор. А значит, произойдет разрыв цепи, ток в ней прекратится.

Hе большой обратный ток через диод все же будет идти. Потому что, кроме основных свободных зарядов (носителей заряда) — электронов, в зоне п ,и дырок в зоне р — в каждой из зон есть еще и ничтожное количество зарядов обратного знака. Это собственные неосновные носители заряда, они существуют в любом полупроводнике, появляются в нем из-за тепловых движений атомов, именно они и создают обратный ток через диод. Зарядов этих сравнительно мало, и обратный ток во много раз меньше прямого. Величина обратного тока сильно зависит: от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n перехода. С увеличением площади перехода возрастает его обьем, а следовательно возрастает число неосновных носителей появляющихся в результате термогенерации и тепловой ток. Часто ВАХ, для наглядности представляют в виде графиков.

В полупроводниках свободные электроны и дырки на­ходятся в состоянии хаотического движения. Поэтому, если выбрать произвольное сечение внутри объема полупровод­ника и подсчитать число носителей заряда, проходящих через это сечение за единицу времени слева направо и справа налево, значения этих чисел окажутся одинаковы­ми. Это означает, что электрический ток в данном объеме полупроводника отсутствует. При помещении полупроводника в электрическое поле напряженностью Е на хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая направленного дви­жения. Направленное движение носителей зарядов в элек­трическом поле обусловливает появление тока, называе­мого дрейфовым (рис. 1.5)

В области высоких температур концентрация электро­нов и дырок значительно возрастает за счет разрыва ковалентных связей и, несмотря на уменьшение их подвижно­сти, электропроводность полупроводника увеличивается по экспоненциальному закону.

Рисунок 1.5 Дрейфовый ток в полупроводнике

1.2.2 Диффузионный ток

Кроме теплового возбуждения, приводящего к возник­новению равновесной концентрации зарядов, равномерно распределенных по объему полупроводника, обогащение полупроводника электронами до концентрации n p и дыр­ками до концентрации p n может осуществляться его осве­щением, облучением потоком заряжённых частиц, введе­нием их через контакт (инжекцией) и т. д. В этом случае энергия возбудителя передается непосредственно носите­лям заряда и тепловая энергия кристаллической решетки остается практически постоянной. Следовательно, избы­точные носители заряда не находятся в тепловом равнове­сии с решеткой и поэтому называются неравновесными. В отличие от равновесных они могут неравномерно распре­деляться по объему полупроводника (рис. 1.6)

После прекращения действия возбудителя за счет реком­бинации электронов и дырок концентрация избыточных но­сителей быстро убывает и достигает равновесного значения.

Носители зарядов рекомбинируют в объеме полупро­водника и на его поверхности. Неравномерное распределение неравновесных носите­лей зарядов сопровождается их диффузией в сторону мень­шей концентрации. Это движение носителей зарядов обу­словливает прохождение электрического тока, называемо­го диффузионным (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 Диффузионный ток в полупроводнике

1.3 Контактные явления

    Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на физических явлениях, происходящих в области контакта твердых тел. При этом преимущест­венно используются контакты: полупроводник-полупровод­ник; металл-полупроводник; металл-диэлектрик-полупро­водник.

Если переход создается между полупроводниками n-типа и p-типа, то его называют электронно-дырочным или p-n переходом.

Электронно-дырочный переход создается в одном кри­сталле полупроводника с использованием сложных и раз­нообразных технологических операций.

Рассмотрим p-n переход, в котором концентрации до­норов N д и акцепторов N a изменяются скачком на границе раздела (рис. 1.7, а). Такой p-n переход называют рез­ким. Равновесная концентрация дырок в p-области () значительно превышает их концентрацию вn-области (). Аналогично для электронов выполняется условие>. Неравномерное распределение концентраций одноименных носителей зарядов в кристалле (рис. 1.7, б) приводит к возникновению диффузии электронов изn-области в p-область и дырок из p-области в n-область. Такое движе­ние зарядов создает диффузионный ток электронов и ды­рок.

Электроны и дырки, переходя через контакт навстречу друг другу (благодаря диффузии), рекомбинируют и в приконтактной области дырочно­го полупроводника образуется нескомпенсированный заряд отрицатель­ных ионов акцепторных примесей, а в электронном полу­проводнике нескомпенсированный заряд положительных донорных ионов (рис. 1.6, в). Таким образом, электрон­ный полупроводник заряжается положительно, а дыроч­ный — отрицательно. Между областями с различными ти­пами электропроводности возникает собственное электри­ческое поле напряженностью E соб (рис. 1.7, а), созданное двумя слоями объемных зарядов.

Собственное электрическое поле является тормозя­щим для основных носителей заряда и ускоряющим для неосновных. Электроны p-области и дырки n-области, со­вершая тепловое движение, попадают в пределы диффузи­онного электрического поля, увлекаются им и перебрасы­ваются в противоположные области, образуя ток дрейфа, или ток проводимости.

Рисунок 1.7 Равновесное состояние p-n перехода

Приконтактную область, где имеется собственное электрическое поле, называют p n переходом . В данной области полупровод­ник характеризуется собственной электропроводностью и обладает по сравнению с остальным объемом повышен­ным сопротивлением. В связи с этим его называют запи­рающим слоем или областью объемного заряда.

На ширину запираю­щего слоя существенное влияние оказывает концентрация примесных атомов. Увеличение концентрации примесных атомов сужает запирающий слой, а уменьшение расширя­ет его. Это часто используется для придания полупровод­никовым приборам требуемых свойств.

Полупроводники, типы полупроводников, физические свойства

Полупроводники, типы полупроводников, физические свойства

Открываем эфир/Полупроводники, типы полупроводников, физические свойства

Полупроводник

— материал, электрические свойства которого в сильной степени зависят от концентрации в нём химических примесей и внешних условий (температура, излучение и пр.).

В нижеследующей таблице представлена информация о большом количестве полупроводниковых соединений. Их делят на несколько типов: одноэлементные полупроводники IV группы периодической системы элементов, сложные: двухэлементные AIIIBV и AIIBVI из третьей и пятой группы и из второй и шестой группы элементов соответственно. Все типы полупроводников обладают интересной зависимостью ширины запрещённой зоны от периода, а именно — с увеличением периода ширина запрещённой зоны уменьшается.

Прежде всего следует сказать, что физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками. В немалой степени этому способствует огромное количество эффектов, которые не могут быть наблюдаемы ни в тех ни в других веществах, прежде всего связанные с устройством зонной структуры полупроводников, и наличием достаточно узкой запрещённой зоны. Конечно же основным стимулом для изучения полупроводников является технология производства интегральных микросхем — это в первую очередь относится к кремнию, но затрагивает другие соединения (Ge, GaAs, InSb) как возможные заменители. Кремний — непрямозонный полупроводник, поэтому очень трудно заставить его работать в оптических устройствах, и здесь вне конкуренции соединения типа AIIIBV, среди которых можно выделить GaAs, GaN, которые используются в светодиодах. Собственный полупроводник при температуре абсолютного ноля не имеет свободных носителей в зоне проводимости в отличие от проводников и ведёт себя как диэлектрик. При легировании ситуация может поменяться. См. вырожденные полупроводники. В связи с тем, что технологи могут получать очень чистые вещества встаёт вопрос о новом эталоне для числа Авогадро.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Объёмные свойства полупроводника могут сильно зависеть от наличия дефектов в кристаллической структуре. И поэтому стремятся выращивать очень чистые вещества, в основном для электронной промышленности. Легирующие примеси вводят для управления типом проводимости проводника. Например широко распространённый кремний можно легировать элементом V подгруппы периодической системы элементов — фосфором, который является донором, и создать n-Si. Для получения кремния с дырочным типом проводимости (p-Si) используют бор (акцептор).

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Свойства полупроводников зависят от способа получения, так как различные примеси в процессе роста могут изменить их. Наиболее дешёвый способ промышленного получения монокристаллического технологического кремния — метод Чохральского. Для очистки технологического кремния используют также метод зонной плавки. Для получения монокристаллов полупроводников используют различные методы физического и химического осаждения. Наиболее прецизионный и дорогой инструмент в руках технологов для роста монокристаллических плёнок — установки молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющей выращивать кристалл с точностью до монослоя.

алмаз, C
кремний, Si
германий
серое олово, a-Sn
нитрид бора, BN
нитрид алюминия, AlN
фосфид алюминия, AlP
арсенид алюминия, AlAs
нитрид галлия, GaN
фосфид галлия, GaP
арсенид галлия, GaAs
стибат галлия, GaSb
фосфид индия, InP
арсенид индия, InAs
антимонид индия, InSb
селенид цинка, ZnSe
селенид кадмия, CdSe
теллурид кадмия, CdTe
теллурид цинка, ZnTe
теллурид ртути, HgTe
оксид цинка, ZnO
сульфид свинца, PbS
теллурид свинца, PbTe
теллурид олова, SnTe
органические полупроводники

По материалам: radiopartal.tut.su, wikipedia.org

http://ur4nww.da.ru


Алмазные светодиоды вместо гетероструктур? | Наука и жизнь

Полупроводниковые источники света — светодиоды и лазеры широко используются в современной технике. Они нашли применение в системах передачи и записи данных, медицине, спектроскопии и других сферах. Благодаря им мы можем печатать на принтере и пользоваться высокоскоростным интернетом.

Схема алмазного p-i-n диода. Справа — диод с i-p решёткой, слева — без неё. Для оценки размера диода следует учесть, что толщина i-области выбрана равной 10 мкм. Рисунок из статьи: I. A. Khramtsov and D. Yu. Fedyanin. Superinjection in diamond homojunction P-I-N arxiv.org. 1805.11665.

Свет в полупроводниковых устройствах генерируется при рекомбинации электронов и дырок — носителей заряда в полупроводниках. В этом процессе встретившиеся электроны и дырки исчезают, порождая кванты света. Чем выше их концентрация, тем чаще они рекомбинируют и ярче светит источник света. Однако в приборах, изготавливаемых на основе одного полупроводника, не удавалось получить достаточно высокой концентрации одновременно и электронов, и дырок.

Читатели, безусловно, знают, что решение проблемы в 1960-е годы нашли Жорес Алфёров и Герберт Кремер, получившие за свои работы Нобелевскую премию по физике за 2000 год. Они разработали так называемые гетероструктуры — «слойки» из двух и более специально подобранных полупроводников. Оказалось, что при прохождении тока через структуру, где полупроводник с меньшей шириной запрещённой зоны находится между двумя полупроводниками с большей шириной запрещённой зоны и разным типом проводимости, в центральном полупроводнике возникает концентрация электронов и дырок на несколько порядков выше, чем в окружающих полупроводниках. Электроны и дырки, попавшие в центральный слой благодаря току, удерживаются в нём потенциальными барьерами, возникающими в местах контакта полупроводников. Это явление, названное суперинжекцией, и стало основой работы современных полупроводниковых светодиодов и лазеров.

При создании гетероструктуры самая большая проблема — подбор полупроводников для неё. Дело в том, что не любые вещества можно объединить в гетероструктуру. При несовпадении периодов кристаллических решёток в области соединения полупроводников образуется большое число дефектов решётки, которые приведут к тому, что потенциальные барьеры ослабнут и эффект суперинжекции не возникнет. Это подобно попытке вставить электрическую вилку в неподходящую розетку. В результате мы просто повредим их.

Такого недостатка лишены гомоструктуры, слои которых состоят из одного вещества, но с примесями, обеспечивающими разные типы проводимости. В этом случае они служат естественным продолжением друг друга. Однако до сих пор считалось, что суперинжекция в таких структурах невозможна, а значит, на их основе нельзя создавать яркие источники света.

Игорь Храмцов и Дмитрий Федянин из лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ сделали открытие, которое может радикально изменить принципы построения светоизлучающих устройств. Они теоретически предсказали возможность суперинжекции в так называемом p-i-n диоде, в котором используется лишь одно вещество, причём для его создания подходит большинство известных полупроводников.

p-i-n диод — полупроводниковый прибор, в котором между областями электронной (n-область) и дырочной (p-область) проводимости находится «чистый» полупроводник без примесей (i-область). В отличие от него p- и n-области получаются легированием — добавлением к этому материалу соответствующих примесей. Численное моделирование показывает, что при протекании тока через диод в i-области возможна суперинжекция, как и в гетероструктурах. Кроме того, авторы исследования показали, что эффективность инжекции электронов может быть дополнительно улучшена с помощью создания i-p решётки («слойки» из нескольких чередующихся слоёв типа i и p) в i-области диода.

Если p-i-n диоды из кремния или германия для возникновения супер- инжекции требуют очень низких температур, что не позволяет их использовать на практике, то в таких материалах, как алмаз и нитрид галлия, сильная суперинжекция может наблюдаться уже при комнатной температуре. Это означает, что p-i-n диоды на их основе можно применять в создании светоизлучающих устройств для массового рынка.

Физики исследовали p-i-n диод на основе алмаза, который лишь недавно стал использоваться как материал для диодов. Область n-типа легирована фосфором, а р-типа — бором. По возможностям легирования и целому ряду свойств алмаз не может конкурировать с большинством полупроводников. Однако эти же свойства делают алмаз уникальным материалом, способным работать при таких токах инжекции, при которых другие полупроводники выгорают. Расчёты показывают, что суперинжекция в алмазном диоде способна превысить максимальную «обычную» концентрацию электронов в алмазе в 10 000 раз. Таким образом, на основе алмаза можно создать ультрафиолетовые светодиоды, которые будут в тысячи раз ярче, чем предсказывали теоретические расчёты, выполненные ранее без учёта суперинжекции. Более того, эффект суперинжекции в алмазе оказывается в 50—100 раз сильнее того, который в настоящее время имеет место в большинстве полупроводниковых светодиодов и лазеров на основе гетероструктур.

Суперинжекция в гомоструктурах (p-i-n диодах) на основе многих полупроводниковых материалов, начиная от хорошо известных нитрида галлия и карбида кремния и заканчивая двумерными материалами, открывает новые возможности для создания высокоэффективных синих, фиолетовых, ультрафиолетовых и белых светодиодов.

Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Semiconductor Science and Technology». Работа поддержана грантом Российского научного фонда.

Что такое проводимость в науке? — Определение и примеры — Видео и стенограмма урока

Хорошие проводники тепла и электричества

В общем, если объект является хорошим проводником тепла, обычно следует, что этот объект также является хорошим проводником электричества. Материалы классифицируются как хорошие проводники, если они позволяют потоку заряженных частиц и электрической энергии свободно проходить через них.

Некоторыми примерами хороших проводников обычно являются металлы, такие как серебро, медь, железо и алюминий.Степень их проводимости зависит от типа металла. Металлы обычно являются хорошими проводниками, потому что по крайней мере один электрон на атом может свободно перемещаться между атомами и передавать тепло и электричество. В списке проводников серебро вообще лучший проводник.

Неметаллические материалы, такие как грязная вода, бетон и графит, также являются проводниками. Грязная вода, в отличие от чистой воды, содержит ионы, которые делают ее хорошим проводником электричества.Бетон по-прежнему является проводником, но гораздо менее проводящим, чем металлы. Графит, хотя и является неметаллом, все же способен проводить электричество, потому что у него есть свободные электроны, которые могут перемещаться внутри объекта для передачи электричества между атомами.

Другие материалы, такие как резина, дерево, стекло и сухая вата, не являются хорошими проводниками, поскольку электроны в этих материалах не могут свободно перемещаться. Поэтому тепло и энергия не так эффективно передаются внутри материала.Иногда мы надеваем резиновые перчатки, чтобы не получить удар током. Когда мы изолируем провода, мы также используем изоляционную ленту, которая сделана из пластика, который также является плохим проводником. Это также помогает предотвратить поражение электрическим током.

Резюме урока

Проводимость возникает, когда энергия передается через объект из-за движения частицы вследствие контакта. Энергия, которая передается, находится в форме тепла или электричества, поэтому мы обсуждали два типа проводимости: проводимость тепла и проводимость электричества .

Существуют материалы, эффективно проводящие тепло и электричество, в основном металлы, такие как медь, алюминий, серебро и железо. Некоторые неметаллы, такие как графит, бетон и грязная вода, также служат проводниками, но они не так эффективны, как металлы. Степень проводимости различна для разных материалов. Некоторые материалы, такие как дерево и резина, являются очень плохими проводниками.

Основные термины

Два типа проводимости
  • Проводимость : передача энергии в форме тепла или электричества от одного атома к другому в объекте вследствие прямого контакта
  • Теплопроводность : происходит, когда молекулы вибрируют из-за повышения температуры, что передает тепловую энергию окружающим молекулам
  • Проводимость электричества : происходит из-за движения электрически заряженных частиц через среду
  • Хорошие проводники : материалы, которые позволяют потоку заряженных частиц и электрической энергии свободно проходить через них

Результаты обучения

Когда вы закончите, вы сможете:

  • Описать, что такое проводимость, и определить два ее типа
  • Объясните, что делает хорошего дирижера
  • Список примеров хороших проводников

5.6 Методы теплопередачи – теплопроводность, конвекция и излучение. Введение – Douglas College Physics 1207

Глава 5 Температура, кинетическая теория и газовые законы

Резюме

  • Обсудите различные методы теплопередачи.

Не менее интересными, чем влияние теплопередачи на систему, являются методы, с помощью которых это происходит. Всякий раз, когда есть разница температур, происходит теплообмен. Теплопередача может происходить быстро, например, через кастрюлю для приготовления пищи, или медленно, например, через стенки ящика со льдом для пикника.Мы можем контролировать скорость теплопередачи, выбирая материалы (например, толстую шерстяную одежду для зимы), контролируя движение воздуха (например, используя уплотнитель вокруг дверей) или выбирая цвет (например, белая крыша, чтобы отражать лето). Солнечный свет). С передачей тепла связано так много процессов, что трудно представить себе ситуацию, при которой передача тепла не происходит. Однако каждый процесс, связанный с передачей тепла, происходит только тремя способами:

  1. Теплопроводность — передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте.(Материя неподвижна в макроскопическом масштабе — мы знаем, что существует тепловое движение атомов и молекул при любой температуре выше абсолютного нуля.) Тепло, передаваемое между электрической горелкой плиты и дном кастрюли, передается теплопроводностью.
  2. Конвекция — это передача тепла макроскопическим движением жидкости. Этот тип переноса имеет место, например, в печи с принудительной подачей воздуха и в климатических системах.
  3. Теплопередача посредством излучения происходит при излучении или поглощении микроволн, инфракрасного излучения, видимого света или другого вида электромагнитного излучения.Очевидным примером является нагревание Земли Солнцем. Менее очевидный пример — тепловое излучение человеческого тела.
Рис. 1. В камине передача тепла осуществляется всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Излучение отвечает за большую часть тепла, передаваемого в помещение. Теплопередача также происходит за счет теплопроводности в помещение, но гораздо медленнее. Теплопередача конвекцией также происходит через холодный воздух, поступающий в помещение через окна, и горячий воздух, выходящий из помещения, поднимаясь вверх по дымоходу.

Мы подробно рассмотрим эти методы в трех следующих модулях. Каждый метод имеет уникальные и интересные характеристики, но у всех трех есть одна общая черта: они передают тепло исключительно за счет разницы температур. Рисунок 1.

Проверьте свое понимание

1: Назовите пример из повседневной жизни (отличный от текста) для каждого механизма теплопередачи.

  • Тепло передается тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Концептуальные вопросы

1: Каковы основные способы передачи тепла от горячего ядра Земли к ее поверхности? С поверхности Земли в космос?

2: Когда наши тела становятся слишком горячими, они реагируют на это выделением пота и усилением кровообращения на поверхности, чтобы отвести тепловую энергию от ядра. Как это повлияет на человека в джакузи с температурой 40,0 o C?

3: На рис. 2 показан разрез термоса (также известного как сосуд Дьюара), который представляет собой устройство, специально предназначенное для замедления всех форм теплопередачи.Объясните функции различных частей, таких как вакуум, серебрение стенок, тонкостенная длинная стеклянная горловина, резиновая опора, воздушный слой и пробка.

Рисунок 2. Конструкция термоса предназначена для подавления всех методов передачи тепла.

Глоссарий

проводимость
передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте
конвекция
перенос тепла макроскопическим движением жидкости
радиация
теплопередача, возникающая при испускании или поглощении микроволн, инфракрасного излучения, видимого света или другого электромагнитного излучения

Решения

Проверьте свое понимание

1: Теплопроводность: Тепло передается вашим рукам, когда вы держите чашку горячего кофе.

Конвекция: теплопередача, когда бариста «выпаривает» холодное молоко для приготовления горячего какао .

Радиация: подогрев холодной чашки кофе в микроволновой печи.

 

Что такое электрическая проводимость? — Определение, примеры и типы

Электропроводность — это движение электрически заряженных частиц через передающую среду. Движение может формировать электрический ток в ответ на электрическое поле. Основной механизм этого движения зависит от материала.Электричество во всех формах является результатом этого заряда элементарных частиц. Проводимость электричества — это организованное движение заряженных частиц, приводящее к чистому движению заряда через материал. Когда заряженные частицы движутся упорядоченно, мы получаем электрический ток.

Примеры электропроводности:

 Проведение – это процесс, посредством которого что-то, например тепло или электрический ток, проходит через одно вещество к другому.Движение может формировать электрический ток в ответ на электрическое поле.

  • Провода в вашем доме проводят электричество и позволяют включать свет, когда вы щелкаете выключателем.
  • В стационарном телефоне звуковые волны преобразуются в электричество и передаются по проводам на телефон другого человека, где они снова преобразуются в звуковые волны.
  • Биосенсорные устройства считывают сигналы, поступающие от рецептора.
  • Соленая вода обладает свойствами, которые делают ее отличным проводником электричества.
  • Грязная вода проводит электричество намного лучше, чем чистая вода.
  • Некоторые газы, такие как кислород, азот и углекислый газ, становятся хорошими проводниками при воздействии на них различных элементов. Во время грозы барометрическое давление падает, атмосфера уплотняется, и эти газы становятся проводниками.

Материалы с хорошей проводимостью:

Алюминий

Латунь

Бронза

Медь

Золото

Графит

Железо

Меркурий

Сталь

Серебро

Как проводится электричество ?

Поток электричества называется током.Металлы, как правило, очень хорошие проводники, то есть они легко пропускают ток. Материалы, которые не пропускают ток, называются изоляторами. В повседневном использовании электричество обычно относится к электрически заряженным частицам, называемым электронами, движущимся по металлическим проводам. Органические соединения, такие как октан, который имеет 8 атомов углерода и 18 атомов водорода, не могут проводить электричество. Нефти являются углеводородами, поскольку углерод обладает свойством тетраковалентности и образует ковалентные связи с другими элементами, такими как водород, поскольку он не теряет и не приобретает электроны, то есть не образует ионов.Материалы, проводящие электричество, такие как медь, называются проводниками. Посередине находятся материалы, известные как полупроводники, которые не так хорошо проводят ток, как проводники, но могут проводить ток. Другими материалами, которые иногда используются в качестве проводников, являются серебро, золото и алюминий. Медь по-прежнему является самым популярным материалом, используемым для изготовления проводов, потому что она очень хорошо проводит электрический ток и относительно недорога по сравнению с золотом и серебром.

Типы проводки:

  1. Теплопроводность:

Энергия передается внутри неподвижного объекта в результате изменения температуры в частях материала, прилегающих друг к другу.Энергия будет двигаться быстро или медленно в зависимости от того, из чего сделан объект, насколько он велик и, самое главное, от градиента температуры. Там, где электрическая проводимость относится к передаче или электрическому току, теплопроводность относится к передаче энергии, в частности, тепловой энергии. Теплопроводность иногда называют теплопроводностью. Алмазы и медь являются материалами с высокой теплопроводностью.

  1. Электропроводность:

Проводимость определяется тем, насколько плотный объект по сравнению с силой электрического поля, которое он может поддерживать.Металлы — это вещества с высоким уровнем проводимости, также известные как проводники, поскольку они демонстрируют минимальное сопротивление электрическому заряду. Телевизоры, радиоприемники и компьютеры являются примерами изобретений, основанных на токе, обеспечиваемом электропроводностью.

  1. Фотопроводимость:

Электромагнитное излучение может быть вызвано чем-то столь же простым, как свет, падающий на полупроводник, или чем-то столь же сложным, как материал, подвергающийся воздействию гамма-излучения.Фотопроводимость возникает, когда материал поглощает электромагнитное излучение, что приводит к изменению электропроводности вещества. Общие области применения фотопроводимости включают копировальные машины, солнечные батареи и оборудование для обнаружения инфракрасного излучения.

Нравится:

Нравится Загрузка…

Родственные

Принципы нагрева и охлаждения

Понимание того, как тепло передается снаружи в ваш дом и из вашего дома в ваше тело, важно для понимания проблемы поддержания прохлады в вашем доме.Понимание процессов, которые помогают охлаждать ваше тело, важно для понимания стратегий охлаждения вашего дома.

Принципы теплопередачи

Тепло передается к объектам и от них, таким как вы и ваш дом, посредством трех процессов: проводимости, излучения и конвекции.

Теплопроводность — тепло, проходящее через твердый материал. В жаркие дни тепло передается в ваш дом через крышу, стены и окна. Теплоотражающие крыши, изоляция и энергосберегающие окна помогут уменьшить эту теплопроводность.

Излучение – это тепло, распространяющееся в виде видимого и невидимого света. Солнечный свет является очевидным источником тепла для дома. Кроме того, невидимое инфракрасное излучение с низкой длиной волны может переносить тепло непосредственно от теплых объектов к более холодным объектам. Благодаря инфракрасному излучению вы можете почувствовать тепло горячей конфорки на плите даже с другого конца комнаты. Старые окна позволяют инфракрасному излучению, исходящему от теплых предметов снаружи, проникать в ваш дом; оттенки могут помочь блокировать это излучение.Новые окна имеют низкоэмиссионное покрытие, блокирующее инфракрасное излучение. Инфракрасное излучение также переносит тепло ваших стен и потолка прямо к вашему телу.

Конвекция – это еще один способ передачи тепла от стен и потолка к вам. Горячий воздух естественным образом поднимается вверх, отводя тепло от стен и заставляя его циркулировать по всему дому. Когда горячий воздух проходит мимо вашей кожи (и вы его вдыхаете), он согревает вас.

Охлаждение тела

Ваше тело может охлаждаться посредством трех процессов: конвекции, излучения и потоотделения.Вентиляция усиливает все эти процессы. Вы также можете охлаждать свое тело с помощью теплопроводности — например, некоторые автокресла теперь оснащены охлаждающими элементами — но это обычно нецелесообразно для использования в вашем доме.

Конвекция происходит, когда тепло отводится от вашего тела через движущийся воздух. Если окружающий воздух холоднее вашей кожи, воздух будет поглощать ваше тепло и подниматься вверх. Когда теплый воздух поднимается вокруг вас, более холодный воздух занимает его место и поглощает больше вашего тепла.Чем быстрее движется этот воздух, тем прохладнее вы себя чувствуете.

Излучение возникает, когда тепло излучается через пространство между вами и предметами в вашем доме. Если объекты теплее вас, тепло будет двигаться к вам. Отвод тепла через вентиляцию снижает температуру потолка, стен и предметов обстановки. Чем прохладнее ваше окружение, тем больше тепла вы будете излучать на объекты, а не наоборот.

Пот может быть неудобным, и многие люди предпочли бы сохранять прохладу без него.Однако в жаркую погоду и при физических нагрузках потоотделение является мощным охлаждающим механизмом организма. Когда влага покидает поры вашей кожи, она уносит с собой много тепла, охлаждая ваше тело. Если ветерок (вентиляция) проходит над вашей кожей, эта влага испаряется быстрее, и вам становится еще прохладнее.

Кондуктивный теплообмен – обзор

5.1.1 Кондуктивный теплообмен

Кондуктивный теплообмен – это передача тепла посредством молекулярного возбуждения внутри материала без объемного движения материала.Кондуктивная теплопередача в основном происходит в твердых телах или стационарных средах, таких как покоящиеся жидкости. Например, перенос тепла в твердых телах происходит за счет сочетания колебаний решетки молекул и переноса энергии свободными электронами, а в газах и жидкостях — за счет столкновений и диффузии молекул.

Чтобы исследовать кондуктивную теплопередачу, давайте, например, посмотрим на стационарную скорость теплопередачи Q· ( Вт ) через толщину слоя твердого электролита Δx, которая является функцией температуры горячей жидкости, T H и температура холодной жидкости T C , геометрия и свойство задаются как

(5.1)Q·=f(TH,TC,геометрияисвойства)

, где температура горячей жидкости T H и холодной жидкости T C выражена в абсолютных градусах Кельвина. Также можно выразить скорость теплопередачи на основе разницы температур горячей и холодной жидкости, T H T C , как

(5.2)Q·=f[(TH–TC) ,geometryandproperty]

Закон теплопроводности Фурье связывает теплопередачу с механическими, тепловыми и геометрическими свойствами среды.Фурье показал, что скорость теплопередачи пропорциональна разности температур поперек твердого слоя и площади теплообмена и обратно пропорциональна толщине твердого слоя. То есть

(5.3)Теплопередача∝(Площадь)(Разность температур)Толщина=(A)(ΔT)Δx

Площадь поперечного сечения, A , выражена в квадратных метрах, а толщина плиты, Δ x , в метрах. Коэффициент пропорциональности в уравнении. (5.3) заменяется транспортным свойством ( k ), называемым теплопроводностью (Вт/мК), которое является скалярным свойством.Следовательно, уравнение (5.3) принимает вид:

(5.4)Q·=kATH−TC∆x=−kATC−TH∆x=−kA∆T∆x

Теплопроводность – это мера способности материала проводить тепло. Теплопроводность — это свойство, которое хорошо описано в таблицах для большого количества материалов, и его можно найти в различных справочниках по теплопередаче или термодинамике.

В пределе уравнение скорости теплообмена, Eq. (5.4), для любой разности температур Δ T по длине плиты Δ x , поскольку оба приближаются к

(5.5)Q·cond,n=-kAdTdx

dTdx(Km) – градиент температуры, как показано на рис. 5.2. Знак минус, появляющийся в приведенном выше уравнении, связан с теплопередачей, а направления градиента температуры противоположны.

Рисунок 5.2. Механизм теплопроводности.

Переставляя уравнение. (5.5) и сравнивая с протеканием электрического тока, тепловое сопротивление проводимости в декартовой системе координат, R cond , выглядит следующим образом: cond , является мерой сопротивления стены тепловому потоку.Очевидно, что тепловое сопротивление R cond увеличивается с увеличением толщины и уменьшением площади поверхности и теплопроводности. Тепловое сопротивление проводимости для цилиндрической и сферической координат определяется из уравнения одномерной энергии в относительной координате и составляет соответственно [1]:

(5.7)Rcond=ln(ro/rin)2πk

(5.8) Rcond=1rin−1ro4πk

, где r o и r в — внешний и внутренний диаметры цилиндра, а также сферы.

Общее стационарное одномерное уравнение теплопроводности без генерации записывается как

(5.9)1RNddR(RNkdTdR)=0

Общее нестационарное одномерное уравнение теплопроводности с источником-членом записывается как

( 5.10)1RNddR(RNkdTdR)+q‴=ρCp∂T∂t

, где R и N в обоих уравнениях. (5.9) и (5.10) равны х и 0 для плиты, r и 1 для цилиндра и r и 2 для сферы соответственно. q «» (Вт/м 3 ) — тепловыделение, ρ (кг/м 3 ) — плотность, C p (кДж/кг·К) — тепловыделение грузоподъемность, т и (с) время. Для постоянных теплофизических свойств Ур. (5.10) принимает вид

(5.11)1RNddR(RNkdTdR)+q‴=ρCp∂T∂t

, где α=kρCp(м2с) – температуропроводность.

Скорость кондуктивной теплопередачи для изотропной среды является векторной величиной. Общие трехмерные уравнения теплопроводности с постоянными свойствами для изотропной среды в прямоугольной ( x , y , z ), цилиндрической ( r , φ , z ) и сферической ( 5 , φ , θ ) координаты соответственно следующие:

(5.12)∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2+q‴k=1α∂T∂t

(5.13)1r∂∂r(r∂T∂r)+1r2∂∂ϕ(r∂T∂ ϕ)+∂2T∂z2+q‴k=1α∂T∂t

(5.14)1r∂∂r(r2∂T∂r)+1r2sin2θ∂2T∂ϕ2+1r2sin2θ∂∂θ(sinθ∂T∂θ )+q‴k=1α∂T∂t

Скорость потока теплоты проводимости для анизотропной среды, q·→(Wm2), также является векторной величиной и в декартовой системе координат имеет вид

(5.15)q ·→cond=−(kxx∂T∂x+kxy∂T∂y+kxz∂T∂z)iˆ−(kyx∂T∂x+kyy∂T∂y+kyz∂T∂z)jˆ−(kzx∂ T∂x+kzy∂T∂y+kzz∂T∂z)kˆ

Поскольку физические свойства всех материалов, используемых в разных слоях ТОТЭ, не меняются в зависимости от направления [2], теплопроводность этих материалов также скалярна количество и, следовательно, уравнение.(5.15) переписывается в виде as

(5.17)∇T=∂T∂xiˆ+∂T∂yjˆ+∂T∂zkˆ

NWS JetStream — Передача тепловой энергии

Источником тепла для нашей планеты является Солнце. Энергия солнца передается через космос и через земную атмосферу на земную поверхность. Поскольку эта энергия нагревает поверхность земли и атмосферу, часть ее является или становится тепловой энергией.Существует три способа передачи тепла в атмосферу и через нее:

  • излучение
  • проводимость
  • конвекция

Радиация

Если вы стояли перед камином или возле костра, вы чувствовали передачу тепла, известную как излучение. Ближайшая к огню сторона вашего тела нагревается, в то время как другая сторона остается незатронутой жаром. Хотя вы окружены воздухом, воздух не имеет ничего общего с этой передачей тепла.Точно так же работают лампы накаливания, которые поддерживают температуру пищи. Радиация – это перенос тепловой энергии через пространство электромагнитным излучением.

Большая часть электромагнитного излучения, поступающего на Землю от Солнца, невидима. Только небольшая часть приходит как видимый свет. Свет состоит из волн разной частоты. Частота — это количество повторений события в течение заданного времени. В электромагнитном излучении его частота — это количество электромагнитных волн, проходящих мимо точки каждую секунду.

Наш мозг интерпретирует эти различные частоты в цвета, включая красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый. Когда глаз видит все эти разные цвета одновременно, он интерпретируется как белый. Солнечные волны, которые мы не видим, — это инфракрасные волны, частота которых ниже, чем у красного, и ультрафиолетовые волны, частота которых выше, чем у фиолетового света. [подробнее об электромагнитном излучении] Именно инфракрасное излучение вызывает ощущение тепла в нашем теле.

Большая часть солнечного излучения поглощается атмосферой, а большая часть того, что достигает земной поверхности, излучается обратно в атмосферу, превращаясь в тепловую энергию.Объекты темного цвета, такие как асфальт, поглощают лучистую энергию быстрее, чем объекты светлого цвета. Однако они также излучают свою энергию быстрее, чем более светлые объекты.

Урок: тает в сумке, а не в руке

Проводка

Теплопроводность — это передача тепловой энергии от одного вещества к другому или внутри вещества. Вы когда-нибудь оставляли металлическую ложку в кастрюле с супом, разогретым на плите? Через некоторое время ручка ложки станет горячей.

Это связано с передачей тепловой энергии от молекулы к молекуле или от атома к атому. Кроме того, когда объекты свариваются вместе, металл нагревается (оранжево-красное свечение) за счет передачи тепла от дуги.

Это называется проводимостью и является очень эффективным методом передачи тепла в металлах. Однако воздух плохо проводит тепло.

Конвекция

Конвекция – это передача тепловой энергии в жидкости. Этот тип нагрева чаще всего встречается на кухне с кипящей жидкостью.

Воздух в атмосфере действует как жидкость. Солнечные лучи падают на землю, нагревая скалы. По мере того, как температура породы повышается из-за теплопроводности, тепловая энергия выделяется в атмосферу, образуя воздушный пузырь, который теплее окружающего воздуха. Этот пузырь воздуха поднимается в атмосферу. По мере подъема пузырек остывает, а тепло, содержащееся в пузыре, уходит в атмосферу.

По мере того, как горячая воздушная масса поднимается, воздух заменяется окружающим более холодным и плотным воздухом, который мы ощущаем как ветер.Эти движения воздушных масс могут быть небольшими в определенном регионе, например, локальными кучевыми облаками, или большими циклами в тропосфере, охватывающими большие участки земли. Конвекционные потоки ответственны за многие погодные условия в тропосфере.

Быстрые факты

Не тепло, которое вы чувствуете, а ультрафиолетовое излучение солнца вызывает солнечные ожоги, которые приводят к раку кожи. Солнечное тепло не приводит к солнечному ожогу.

Согласно данным Американской академии дерматологии, солнечный свет состоит из двух типов вредных лучей, достигающих земли: ультрафиолетовых лучей А (UVA) и ультрафиолетовых лучей B (UVB).Чрезмерное воздействие любого из них может привести к раку кожи. Каждый из этих лучей не только вызывает рак кожи, но и делает следующее:

  • Лучи UVA могут преждевременно состарить кожу, вызывая появление морщин и возрастных пятен, и могут проникать сквозь оконное стекло.
  • Лучи UVB являются основной причиной солнечных ожогов и блокируются оконным стеклом.

Безопасного способа загорать не существует. Сюда входит излучение от искусственных источников, таких как солярии и солнечные лампы. Каждый раз, когда вы загораете, вы повреждаете кожу.По мере накопления этого повреждения вы ускоряете старение кожи и увеличиваете риск развития всех видов рака кожи.

Даже в пасмурные дни ультрафиолетовое излучение может проходить сквозь облака и вызывать солнечные ожоги, если вы достаточно долго находитесь на открытом воздухе.

4 типа механизмов теплопередачи для охлаждения электрических шкафов

 

Охлаждение электрического шкафа включает процессы передачи тепла изнутри корпуса и отвода его в окружающий воздух.Существуют различные механизмы теплопередачи, включая конвекцию, теплопроводность, тепловое излучение и испарительное охлаждение.

Механизмы теплопередачи

Охлаждение корпуса включает комбинацию механизмов теплопередачи. Основные механизмы, используемые для охлаждения электрических шкафов, следующие:

  • Теплопроводность: Это передача тепла через твердое тело. Например, тепло, выделяемое внутри корпуса, передается на внешнюю поверхность посредством теплопроводности.
  • Конвекция: Конвекция — это передача тепла от поверхности посредством жидкости, такой как воздух. Естественная конвекция возникает при нагревании воздуха: он расширяется, поднимается вверх и вытесняется более холодным воздухом. Величину конвекции можно увеличить, используя вентилятор для увеличения потока воздуха.
  • Излучение: Это процесс, при котором энергия излучается через воздух посредством электромагнитного излучения. Хотя он эффективен для высокотемпературных источников, таких как солнце, он менее эффективен при температуре окружающей среды на Земле.
  • Испарение: Скрытая теплота жидкости может использоваться для передачи тепла путем поглощения энергии, необходимой для испарения этой жидкости. Поглощенное тепло высвобождается, позволяя жидкости конденсироваться вне корпуса.

Эти формы теплопередачи используются для охлаждения электрических корпусов несколькими способами.

Пассивное охлаждение

Пассивное охлаждение, основанное на естественной теплопроводности, конвекции и излучении, подходит для малонагруженных шкафов с относительно большой площадью поверхности и хорошей вентиляцией.Температура окружающего воздуха должна быть ниже температуры корпуса. Этот метод не подходит для чувствительных к температуре компонентов при высоких температурах окружающей среды.

Принудительная вентиляция

Эффективность конвекции можно повысить за счет использования вентиляторов, увеличивающих поток воздуха через корпус. Холодный воздух втягивается в нижнюю часть корпуса, а горячий воздух выпускается вверху. Вентиляторы должны быть оснащены фильтрами для ограничения попадания грязи, которая может повредить компоненты.Чтобы электрические компоненты не перегревались, температура окружающей среды должна быть значительно ниже максимально допустимой температуры корпуса.

Технология тепловых трубок

Тепловые трубки, впервые разработанные в 1960-х годах, представляют собой практически безэнергетический метод охлаждения корпуса. Тепловая трубка состоит из вакуумированной медной трубки, частично заполненной жидкостью, такой как спирт или вода. Из-за низкого давления жидкость на дне трубы закипает, поглощая тепло из воздуха внутри корпуса.Пар поднимается вверх по трубе, где охлаждается воздухом снаружи корпуса и конденсируется. Затем сконденсированная жидкость возвращается на дно трубки, и цикл повторяется.

В воздухо-воздушных теплообменниках Thermal Edge

используется эта новая технология для охлаждения герметичных электрических корпусов. Единственная необходимая энергия — это маленькие вентиляторы, которые циркулируют воздух вокруг горячего и холодного концов тепловой трубы.

Корпус кондиционера

Кондиционер также использует испарение, но немного другим способом.Жидкий хладагент под давлением проходит через расширительное устройство. Падение давления заставляет жидкость испаряться в змеевике испарителя кондиционера и поглощать тепло, охлаждая воздух внутри корпуса. Затем горячий газ сжимается и проходит через змеевик конденсатора, где газ сжижается, отдавая свое тепло воздуху снаружи корпуса. Кондиционер воздуха в корпусе представляет собой чрезвычайно эффективный метод охлаждения корпуса и будет работать эффективно, даже если температура окружающей среды намного выше, чем температура воздуха в корпусе.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.