Teoria, opór elektryczny, przewodnictwo w ciałach stałych., Notatki z Fizyka

Pobierz Teoria, opór elektryczny, przewodnictwo w ciałach stałych. i więcej Notatki w PDF z Fizyka tylko na Docsity! TEORIA: Opór elektryczny Zgodnie z I prawem Ohma natężenie prądu jest proporcjonalne do napięcia przyłożonego do końców przewodnika i wyraża się wzorem: Odwrotnością współczynnika proporcjonalności jest opór elektryczny. Oznaczamy go literą R i wyrażamy w omach [Ω]. Warto wspomnieć, że wyrażenie to jest definicją oporu. Sens tej zależności jest taki, że wzrost napięcia powoduje wzrost natężenia, czyli inaczej dla każdej pary wartości U i I stosunek U/I jest stały. Opór przewodnika jest proporcjonalny do jego długości i odwrotnie proporcjonalny do przekroju poprzecznego: Współczynnik proporcjonalności ρ nazywamy oporem właściwym. Jednostką jest jeden omometr [1 Ωm]. Przewodnictwo w ciałach stałych W ciałach stałych przewodzenie prądu jest możliwe dzięki ruchomym ładunkom. Napięcie przyłożone do końców przewodnika powoduje uporządkowany ruch nośników tych ładunków (elektronów, jonów dodatnich i ujemnych), które pod wpływem sił pola elektrycznego poruszają się z pewną prędkością v. W metalach, liczba elektronów swobodnych, które są nośnikami prądu jest olbrzymia. Najczęściej są to elektrony walencyjne poszczególnych atomów tworzących sieć krystaliczną. Okazuje się, że opór jest stały dla danego przewodnika tylko przy stałej temperaturze. Jeżeli podczas przepływu prądu ogrzewamy lub ochładzamy przewodnik, to możemy zaobserwować odpowiednio dodatnie lub ujemne przyrosty oporu. Dla każdego przewodnika charakterystyczny jest współczynnik temperaturowy oporu α: gdzie R0 – opór przewodnika w temperaturze początkowej. Pasma energetyczne kryształów, zależność przewodnictwa elektrycznego półprzewodników od temperatury Przewodzenie prądu elektrycznego jest związane ze zmianą energii kinetycznej elektronów, które muszą być przyspieszane przez pole elektryczne po to, aby uzyskać energię kinetyczną. W metalach puste poziomy energetyczne znajdują się bardzo blisko poziomów zapełnionych, dlatego aby przejść na wyższy poziom energetyczny elektrony potrzebują stosunkowo niewielkiej energii, co skutkuje tym, że nawet w niskich temperaturach pole elektryczne może przyspieszać elektrony i nadawać im większą energię. Nośnikami są elektrony z pasma walencyjnego, które można nazwać pasmem przewodzącym. W półprzewodnikach puste i zapełnione poziomy energetyczne oddziela tzw. pasmo wzbronione (zakaz Pauligo). Przy mniejszej szerokości pasma wzbronionego, część elektronów z pasma walencyjnego może w wyniku wzbudzeń termicznych (zmiany energii) przedostać się do wyższego, pustego pasma energetycznego nawet w temperaturze pokojowej. W paśmie tym, które w półprzewodnikach nazywane jest pasmem przewodnictwa, elektrony mogą być przyspieszane polem elektrycznym, czyli mogą stać się nośnikami prądu. Dzięki zwolnieniu niektórych poziomów w górnej części pasma walencyjnego, elektrony pozostałe w tym paśmie także uzyskują możliwość brania udziału w przewodzeniu prądu. Przewodnictwo związane z ruchem elektronów w prawie całkowicie zapełnionym paśmie walencyjnym, nosi nazwę przewodnictwa dziurowego. Przy podwyższaniu temperatury półprzewodnika rośnie eksponencjalnie prawdopodobieństwo termicznego wzbudzenia elektronów do pasma przewodnictwa, a wraz z nim koncentracja nośników prądu. Ponieważ przy wzroście temperatury ruchliwość nośników prądu maleje znacznie wolniej niż wzrasta ich koncentracja, to w rezultacie, przy podwyższaniu temperatury opór elektryczny półprzewodnika maleje (odwrotnie niż w przypadku metali). Zależność przewodności właściwej σ półprzewodnika od temperatury T wyraża się wzorem: gdzie: Eg oznacza energię aktywacji nośników, kB – stała Boltzmanna, A –stała.