Температурная зависимость концентрации свободных носителей зарядов в примесном полупроводнике.

Качественно температурная зависимость концентрации свободных носителей зарядов в примесном полупроводнике приведены на рис. 7.4.

 

Рис. 7.3 Температурная зависимость концентрации свободных носителей зарядов в примесном полупроводнике

 

При Т ®0 K (участок 1-2) концентрация свободных носителей заряда определяется фоновыми носителями, имеющимися в полупроводнике из-за несовершенства технологии, нарушений кристаллической структуры или неконтролируемх примесей. При повышении температуры, электроны с донорных уровней (в случае донорного полупроводника) переходят в зону проводимости, или из валентной зоны на акцепторные уровни (в случае акцепторного полупроводника). Чем выше температура, тем большее число примесных атомов активировано (участок 2-3). Когда тепловой энергии достаточно для полной активации примесей (точка 3), происходит истощение примесных уровней. Все электроны донорной примеси перейдут в зону проводимости, а все атомы акцепторной примеси захватят из валентной зоны максимально возможное количество электронов. При дальнейшем повышении температуры концентрация свободных носителей заряда остается постоянной (область насыщения 3-4), так как примесные уровни истощены, а энергии теплового поля недостаточно для активации собственных носителей заряда.

В точке 4 тепловой энергии становиться достаточно для активации собственных носителей заряда в полупроводнике. Начинаются переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости, и чем выше температура, тем больше актов активации собственных носителей заряда (участок 4-5).

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Общие положения

Все вещества в той или иной мере взаимодействуют с магнитным полем, а у некоторых материалов магнитные свойства сохраняются даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Магнитные свойства материалов обусловлены внутренними скры­тыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Такими круговыми токами яв­ляются: вращение электронов вокруг собственных осей - элек­тронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах.

При рассмотрении магнитных свойств веществ их называют магнетики. Основными из них являются: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Диамагнетики и парамагнетики можно отнести к слабомагнитным веществам, ферромагнетики – к сильномагнитным.

Диамагнетики - это вещества, у которых магнитные моменты ядер и электронов в атомах скомпенсированы и полный магнитный момент каждого атома равен нулю. Они намагничиваются против направления внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики немагнитны. Магнитная проницаемость m диамагнетиков меньше единицы (» 0,99999) и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Диамагнетики отличаются тем, что они выталкиваются из магнитного поля. К диамагнитным веществам относятся водород, инертные газы, азот, хлор, вода, большинство органических соединений, ряд металлов: Сu, Аg, Аu, Ве, Zn, Сd, Нg, РЬ, В, Gа, Sb, а также графит, стекло и др.

Парамагнетиками называются вещества, атомы которых обладают магнитными моментами - элементарными магнитными диполями. Однако при обычных температурах под действием теплового движения молекул магнитные моменты атомов ориентируются хаотически относительно любого направления и суммарный магнитный момент в веществе равен нулю.

Под действием внешнего магнитного поля создается преимущественное направление расположения элементарных магнитных моментов, то есть тело оказывается намагниченным. Однако при обычных напряженностях поля Н и температурах, намагниченность парамагнетиков очень мала. У парамагнетиков m незначительно превышает единицу(» 1,001) и практически не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. С повышением температуры при неизмененной напряженности поля возрастает дезориентирующая роль теплового движения молекул и поэтому намагниченность убывает.

Парамагнетики отличаются тем, что они втягиваются в магнитное поле. К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, соли железа, кобальта и никеля, щелочные металлы, а также Мg, Са, А1, Сr, Мо, Мn, Рt, Рd и др.

Ферромагнетиками называют вещества, в которых имеются макроскопические (значительно превышающие размерами атомы и молекулы) области, обладающие собственным магнитным моментом в отсутствии внешнего магнитного поля. Такие области получили название магнитных доменов. Внутри домена магнитные моменты атомов выстраиваются параллельно друг другу. Возможные размеры доменов для некоторых материалов составляют порядка 0,001-10 мм³ при толщине пограничных слоев между ними в несколько десятков - сотен атомных расстояний.

Ферромагнетики в большинстве случаев имеют кристаллическую структуру и характеризуются большими положительными значениями магнитной проницаемости m (до сотен тысяч и миллионов) и сложной нелинейной зависимостью m от температуры и внешнего магнитного поля (рис. 8.1). Именно эти вещества чаще всего применяются на практике в качестве магнитных материалов (постоянные магниты, сердечники трансформаторов и т.п.).

Характерная особенность ферромагнетиков - способность при обычных температурах сильно намагничиваться в даже слабых полях. К ферромагнетикам относятся вещества группы железа (Fе, Со, Ni) и шесть лантаноидов (Gd, Тb, Dу, Но, Еr и Тm).

 

 

Рис. 8.1 Зависимость магнитной проницаемости m ферромагнитных материалов от температуры

 

При температурах выше точки Кюри Т _К, ферромагнитное состояние переходит в парамагнитное. Точка Кюри для чистого железа составляет 1043 K, для никеля – 631 K, кобальта – 1404 K.