в чем измеряется подвижность
Подвижность носителей тока
Подвижность электронов (верхняя кривая) и дырок (нижняя кривая) в кремнии в зависимости от концентрации атомов примеси
Подвижностью μ называют коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью носителей тока и величиной приложенного электрического поля
При этом, вообще говоря, подвижность является тензором:
Подвижность электронов и дырок зависит от их концентрации в полупроводнике (см. рисунок). При большой концентрации носителей заряда, вероятность столкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности и проводимости.
Размерность подвижности — см²/(В·с).
Собственная плотность
При термодинамическом равновесии, плотность электронов полупроводника связана с температурой следующим соотношением:
где:
Также, плотность дырок полупроводника связана с температурой следующим соотношением:
где:
Собственная плотность связана с и следующим соотношением:
Использование полупроводников в радиотехнике
Диод
Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников — дырочного и электронного. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником n-типа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников — так называемый p-n переход. В результате в области с полупроводником p-типа возникает некомпенсированный заряд из отрицательных ионов, а в области с полупроводником n-типа возникает некомпенсированный заряд из положительных ионов. Разница между потенциалами достигает 0,3-0,6 В.
Связь между разницей потенциалов и концентрацией примесей выражается следующей формулой:
В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость). При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока (обратная проводимость). Обратный ток полупроводникового диода не равен нулю, так как в обоих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей p-n переход будет открыт.
Таким образом, p-n переход проявляет свойства односторонней проводимости, что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. Это свойство используют для выпрямления переменного тока.
Транзистор — полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода. Область кристалла между двумя переходами называют базой, а внешние области называют эмиттером и коллектором. Самой употребляемой схемой включения транзистора является схема включения с общим эмиттером, при которой через базу и эмиттер ток распространяется на коллектор. Биполярный транзистор используют для усиления электрического тока.
Электрон и подвижность дырок являются частными случаями из электрической подвижности заряженных частиц в жидкости под приложенным электрическим полем.
Подвижность электронов почти всегда задается в единицах см 2 / ( В ⋅ с ). Это отличается от SI единицы мобильности, м 2 / ( В ⋅ с ). Они связаны соотношением 1 м 2 / (В · с) = 10 4 см 2 / (В · с).
СОДЕРЖАНИЕ
Вступление
Скорость дрейфа в электрическом поле
Два носителя заряда, электрон и дырка, обычно имеют разные скорости дрейфа для одного и того же электрического поля.
Квазибаллистический перенос возможен в твердых телах, если электроны ускоряются на очень малое расстояние (такое малое, как длина свободного пробега ) или в течение очень короткого времени (такое короткое, как среднее время свободного пробега ). В этих случаях скорость дрейфа и подвижность не имеют значения.
Определение и единицы измерения
Подвижность электронов определяется уравнением:
Подвижность дырок определяется аналогичным уравнением:
Подвижности электронов и дырок по определению положительны.
Обычно скорость дрейфа электронов в материале прямо пропорциональна электрическому полю, что означает, что подвижность электронов постоянна (не зависит от электрического поля). Когда это не так (например, в очень больших электрических полях), подвижность зависит от электрического поля.
Подвижность обычно сильно зависит от примесей материала и температуры и определяется эмпирически. Значения мобильности обычно представлены в виде таблицы или диаграммы. Подвижность также различна для электронов и дырок в данном материале.
Вывод
Это ускорение электрона между столкновениями. Таким образом, скорость дрейфа равна:
Поскольку нас интересует только изменение скорости дрейфа в зависимости от электрического поля, мы объединяем общие термины вместе, чтобы получить
Аналогично для дырок имеем
Обратите внимание, что подвижность электронов и дырок положительны. Знак минус добавлен для скорости дрейфа электронов, чтобы учесть отрицательный заряд.
Отношение к плотности тока
Использование выражения для дает v d <\ displaystyle v_
Аналогичная система уравнений применяется к отверстиям (с учетом того, что заряд на отверстии положительный). Следовательно, плотность тока из-за дырок определяется выражением
Полная плотность тока складывается из электронной и дырочной составляющих:
Отношение к проводимости
Ранее мы вывели связь между подвижностью электронов и плотностью тока
Теперь закон Ома можно записать в виде
который может быть разложен на
Связь с диффузией электронов
В области, где n и p меняются с расстоянием, диффузионный ток накладывается на ток из-за проводимости. Этот диффузионный ток регулируется законом Фика :
Коэффициент диффузии для носителя заряда связан с его подвижностью соотношением Эйнштейна :
Примеры
Материал | Электронная подвижность | Подвижность отверстия | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Гетероструктуры AlGaAs / GaAs | 35 000 000 | ||||||||||
Отдельно стоящий графен | 200 000 | ||||||||||
Углеродные нанотрубки | 79 000 | ||||||||||
Кристаллический кремний | 1,400 | 450 | |||||||||
Поликристаллический кремний | 100 | ||||||||||
Металлы (Al, Au, Cu, Ag) | 10-50 | ||||||||||
2D-материал (MoS2) | 10-50 | ||||||||||
Органика | 8,6 | 43 год | |||||||||
Аморфный кремний |
Si | Ge | GaAs | |
---|---|---|---|
Электроны | ∝T −2,4 | ∝T −1,7 | ∝T −1,0 |
Отверстия | ∝T −2,2 | ∝T −2,3 | ∝T −2,1 |
Однако эффект рассеяния ионизованной примеси уменьшается с повышением температуры, поскольку увеличиваются средние тепловые скорости носителей. Таким образом, носители проводят меньше времени рядом с ионизированной примесью при прохождении, и, таким образом, эффект рассеяния ионов уменьшается.
Эти два эффекта действуют одновременно на носителей в соответствии с правилом Маттиссена. При более низких температурах доминирует рассеяние на ионизованных примесях, а при более высоких температурах доминирует рассеяние на фононах, а фактическая подвижность достигает максимума при промежуточной температуре.
Неупорядоченные полупроводники
Множественный захват и выпуск
Прыжок с переменным диапазоном
Измерение подвижности полупроводников
Подвижность зала
F → ЧАС п знак равно + q ( v → п × B → z ) <\ displaystyle <\ overrightarrow
\ times <\ overrightarrow > _
Аналогично для дырок
Из коэффициента Холла мы можем получить подвижность носителей следующим образом:
Здесь значения V Hp (напряжение Холла), t (толщина образца), I (ток) и B (магнитное поле) могут быть измерены напрямую, а проводимости σ n или σ p либо известны, либо могут быть получены путем измерения удельное сопротивление.
Полевая подвижность
Подвижность также можно измерить с помощью полевого транзистора (FET). Результат измерения называется «полевой подвижностью» (что означает «подвижность, полученная в результате измерения полевого эффекта»).
Использование режима насыщенности
Используя линейную область
Это уравнение происходит из приближенного уравнения для полевого МОП-транзистора в линейной области:
На практике этот метод может переоценить истинную подвижность, потому что, если V DS недостаточно мал, а V G недостаточно велик, полевой МОП-транзистор может не оставаться в линейной области.
Оптическая мобильность
Терагерцовая подвижность
СВЧ-проводимость с временным разрешением (TRMC)
Концентрационная зависимость легирования в сильнолегированном кремнии
В носителей заряда в полупроводниках являются электроны и дырки. Их количество определяется концентрацией примесных элементов, т. Е. Концентрацией легирования. Таким образом, концентрация легирования имеет большое влияние на подвижность носителей.
Эти уравнения применимы только к кремнию и только в слабом поле.
Подвижность носителей заряда
Связанные понятия
Магнитосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает.
Эта статья — об энергетическом спектре квантовой системы. О распределении частиц по энергиям в излучении см. Спектр, Спектр излучения. Об энергетическом спектре сигнала см. Спектральная плотность.Энергетический спектр — набор возможных энергетических уровней квантовой системы.
Баллистические транзисторы — собирательное название электронных устройств, где носители тока движутся без диссипации энергии и длина свободного пробега носителей намного больше размера канала транзистора. В теории эти транзисторы позволят создать высокочастотные (ТГц диапазон) интегральные схемы, поскольку быстродействие определяется временем пролёта между эмиттером и коллектором или, другими словами, расстоянием между контактами, делённым на скорость электронов. В баллистическом транзисторе скорость.
109—1010 Гц) в однородном многодолинном полупроводнике при приложении к нему сильного электрического поля. Впервые этот эффект наблюдался Джоном Ганном в 1963 г. на арсениде галлия, затем явление осцилляций тока было обнаружено в фосфиде индия, фосфиде галлия и ряде других полупроводниковых соединений.
В чем измеряется подвижность
Подвижность. Дрейф носителей заряда
где qE = F – сила, действующая на электрон со стороны поля.
Подставив это выражение в формулу для скорости дрейфа, получаем
В формуле (3.1) величина называется подвижностью носителей заряда. Таким образом, подвижность носителей заряда обратно пропорциональна эффективной массе носителей m и прямо пропорциональна времени свободного пробега t п.
Иначе говоря, подвижность носителей заряда – это скорость дрейфа, приобретаемая свободными носителями в электрическом поле напряженности Е=1 В /м.
Оценка величины подвижности электрона μ в кристаллической решетке по формуле (3.1) дает следующее значение:
м 2 /В ·с.
Температурная зависимость величины подвижности носителей заряда в полупроводниках определяется механизмами рассеяния носителей заряда.
График зависимости m = f ( T) в сильно легированом полупроводнике представлен на рис. 3.1, б. Видно, что температурная зависимость подвижности носителей заряда в примесном полупроводнике состоит из двух участков. Участок 1 характерен для низких температур, когда преобладает рассеяние на ионизированных примесях; на участке 2 подвижность носителей уменьшается вследствие рассеяния на тепловых колебаниях атомов и ионов.
Результирующая подвижность m определяется с помощью соотношения
Подвижность и дрейфовая скорость носителей заряда зависят не только от температуры, но и от напряженности электрического поля в полупроводнике.
Величина подвижности носителей заряда, в свою очередь, зависит от напряженности электрического поля. При E >> vфон / m 0 подвижность уменьшается с ростом напряженности поля Е по закону m
Для кремния и германия зависимость дрейфовой скорости от напряженности электрического поля может быть аппроксимирована формулой
Таким образом, дрейфовая скорость в полупроводниках возрастает с ростом напряженности электрического поля, достигая своего максимального значения – скорости насыщения, близкого к тепловой скорости.
Зависимость подвижности носителей заряда (электронов или дырок) от напряженности электрического поля в кремнии аппроксимируется выражением
Подвижность носителей заряда в средних и сильных электрических полях уменьшается с ростом напряженности электрического поля.
Создание в однородном полупроводнике электрического поля с напряженностью E, в результате подключения внешнего источника ЭДС или тока, приводит к появлению дрейфа носителей тока (электронов и дырок).
Поскольку знаки зарядов электронов и дырок противоположны, то носители дрейфуют со скоростью v др в противоположных направлениях в соответствии с силами, действующими со стороны электрического поля. Поэтому соответствующие дрейфовые токи складываются, как показано на рис. 3.3.
Плотность дрейфового тока jдр в собственном полупроводнике складывается из плотностей токов электронов j n др и дырок j p др и определяется из выражения
В примесных полупроводниках общая плотность дрейфового тока электронов и дырок
Подвижность бетонной смеси
Строительная индустрия востребовала строительные материалы с различными характеристиками. К ним относятся бетоны, имеющие широкое разнообразие свойств и показателей качества. Соответственно, при проведении работ необходимо оперативно получить точную оценку свойств данного материала, к примеру, текучести бетона, которая напрямую влияет на его эксплуатационные характеристики наряду с прочностью.
Что такое подвижность затворенного бетона?
То, как материал заполняет опалубку при определенном способе трамбования с формированием им уплотненной однородной массы, характеризует удобоукладываемость бетонной смеси. Для ее оценки используются показатели связности, подвижности, жесткости раствора. Подвижность бетона (осадка конуса) — способность смеси растекаться только за счет веса материала. Данное свойство ключевое при оценке допуска раствора к использованию на конкретном объекте.
Виды подвижности
Технологическое удобство пользования бетонной смесью — подвижность бетона имеет установленную классификацию степеней текучести. Чем более текучий бетон, тем лучше он заполняет объемную и густую арматуру в опалубках сложных конфигураций. Растворы разделяются на малоподвижные и высокоподвижные. Первые не применяются без вибропрессования и добавления пластификаторов. Малоподвижными считаются композиции, в составе которых меньше упомянутых компонентов.
От чего зависит?
Подвижность бетонной смеси определяется маркой цемента, плотностью цементного теста, водно-цементным содержанием, фракцией и формой зерна наполнителей (песка и щебня), чистотой наполнителей (воды, песка и щебня), соотношением компонентов (песка, цемента, воды, извести, щебня), качеством и количеством добавок. Также она зависит от условий заливки в опалубку на объекте.
Плотный и объемный арматурный каркас потребует повышенной текучести бетонных смесей, так как вибротрамбование в таких условиях затруднено. Когда в подобных условиях используется малоподвижный состав, плотность после уплотнения может не соответствовать установленным нормам (поры, раковины). Поэтому при подборе бетонного состава по степени подвижности (жесткости и связности) следует знать требования к несущей конструкции сооружения (особенно важно для фундамента) и конкретные условия его заливки (сложность формы опалубки и плотность арматурного каркаса).
Как обозначается?
Подвижность бетонной смеси обозначается символом «П», который в зависимости от градаций подвижности имеет соответствующий цифровой показатель (марку). Чем выше значение марки, тем более текучий состав. Так, малоподвижные композиции — от П1 до П3, а П4 и П5 обладают высокой подвижностью.
Марка П1 для наиболее густых составов (к примеру, монолитных лестниц), которые используются не часто, но обязательно с механическим уплотнением. Классификации подвижности П2 и П3 предназначены для стандартных построек. П4 применяется для работ с плотным армированием (колонны, высокий фундамент), такие растворы можно не уплотнять. Растворы с обозначением П5 заливаются только в практически герметичные опалубки.
Как определить подвижность?
Применяются различные методы, определяющие подвижность бетонной смеси, которые различаются сложностью получения результатов. Осадка конуса — самый быстрый метод. В соответствии с ним определяется, насколько естественным образом (под своим весом) усаживается бетонный раствор, предварительно сформированный в конус. Используется конусообразная металлическая форма, размеры которой зависят от величины фракций щебня. К примеру, конструкция высотой 300 мм, малым диаметром 100 мм и большим — 300 мм, внутренним объемом 7 л.
В нее с широкой стороны тремя порциями укладывают бетонную композицию, каждый слой которой уплотняют путем штыкования (8 – 9 движений на один слой) гладкой арматурой. Лишний раствор убирают. Затем конус переворачивают, как детскую паску, и освобождают раствор, уложенный конусом. Далее дают время, чтобы смесь осела, и осуществляют проверки величины подвижности вычислением снижения высоты раствора относительно верхнего среза формы (высота 300 мм), в которой он находился. Проверка проводится несколько раз для получения усредненного (более точного) результата.
Отсутствие разницы сообщает о максимальной жесткости состава. Когда смесью набрана разница высот до 150 мм — это малоподвижная композиция. Снижение конусом высоты до 150 мм и больше характеризует раствор как максимально текучий (подвижный).
Еще один метод — испытания вискозиметром (используется, когда в смесях щебень имеет размеры 0,5 – 4 см). Конусообразная форма раствора (формируется аналогично описанному выше) ставится на вибростол. В нее втыкается штатив с делениями, на который сверху надевается металлический диск. Включается виброплита и секундомер. Засекается время, когда груз под действием вибрации опустится вдоль штатива до определенной отметки. Полученная величина времени умножается на постоянный коэффициент 0,45. В результате определяется подвижность состава.
Следующий метод — испытания в формах. Используется открытый с одной стороны металлический куб (к примеру, 200 х 200 х 200 мм) для композиций с фракциями щебня до 7 см. В нем размещается конусообразная масса бетона.
Далее куб устанавливается на виброплиту. Одновременно с плитой включается секундомер. Измеряется интервал времени, за которое испытуемые бетонные смеси заполнят углы формы, а поверхность раствора становится ровной. Полученное время умножается на коэффициент 0,7. Результат — оценка подвижности состава.
Таблица подвижности бетонной смеси
Для практического использования показатели подвижности, демонстрируемые бетонными смесями, систематизированы, что удобно для использования. Аналогичным образом структурируются и другие свойства удобоукладываемости. Согласно таблице, размещенной ниже, усадка состава до 5 см — жесткие бетонные растворы (П1). Если показатель снижения высоты составляет от 50 до 150 мм — это малоподвижные (используются для заливки фундаментов) составы. Марки подвижности более высокие, вплоть до П5, получают усадку в диапазоне от 150 мм и больше.
Подвижность и состав смеси
Товарный бетон состоит из песка, цемента, воды, щебенки и специальных добавок. Их наличие, качество и процентное соотношение определяют подвижность бетона. Нужную величину показателя обеспечивают оптимальные пропорции цемента и воды, а вот щебенка и песок снижают вероятные деформации искусственного камня при наборе прочности, уменьшая его усадку. Данные компоненты поднимают упругость материала, уменьшая нагрузочные деформации.
Водно–цементное соотношение — основной показатель (оптимальное соотношение 0,4 в массовой пропорции), нарушение которого приводит к недобору прочности материалом на несколько классов, тем более к последнему ведет добавление воды в уже готовую композицию. Подобная операция только внешне увеличивает подвижность замеса, но через короткое время заметным становится его расслоение. Соотношение компонентов создает определенную способность удержания воды в смеси. Ее подвижность изначально можно регулировать количеством воды. В малоподвижным смесях, считающихся наиболее выгодными, ее объем незначительный, что требует применения машинного трамбования для заполнения пустот в опалубке (при литье лестниц, фундаментов).
Увеличение массы цемента (к примеру, портландцемента) повышает подвижность раствора без уменьшения прочности. Данное явление имеет место, так как цемент обволакивает зерна наполнителей (щебня, песка) и раздвигает их собой, не давая соприкасаться. Трение снижается, подвижность растет.
Пластификаторы используют как добавку для повышения текучести.
Форма и фракции наполнителей также участвуют в формировании текучести. Так, их укрупнение сокращает общую площадь поверхности зерен в растворе, что неминуемо поднимает подвижность бетона. К примеру, гладкая поверхность речного гравия снижает силу трения заполнителей, что поднимает подвижность, но в результате конструкция не доберет марочную прочность и жесткость. Влияние песка в этом смысле незначительно.
А вот наличие примесей в песке и щебенке (например, глины, пыли) уменьшают текучесть затворенного состава, но после твердения создает дефекты в изделиях. На замешивание раствора или его доставку требуется время. Он сохраняет технологическую текучесть порядка 2-х часов. Однако если время доставки нельзя сократить, да еще имеет место низкая температура воздуха, то применяют пластификаторы. Данные добавки повышают текучесть, адгезию, позволяют сократить внесение воды.
Их добавка не снижает набираемую изделием прочность (пластификатор с химическими компонентами С3, к примеру, даже поднимет ее еще до 25%), позволяет отказаться от вибротрамбования. Это могут быть промышленные пластификаторы (в состав входят фосфаты, эфиры фталевой кислоты, парафины и пр.), позволяющие сохранить текучесть в течение 6-ти часов после заливки, что особенно важно, к примеру, зимой. Схожее действие имеют мыло, жидкое стекло, средства для мытья посуды и пр.
Заключение
Удобство укладки бетона не только облегчает выполнение работ, но и прямо влияет на конечные эксплуатационные показатели бетонных конструкций. Подвижность смесей обеспечивается их составом и должна соответствовать условиям заливки изделия на объекте. Ее параметры могут быть оперативно определены прямо на стройплощадке.
- витамин д3 для чего нужен мужчинам после 50 лет
- в чем прикол суши